Turbina de vapor

Máquina que usa vapor para rotar un eje

El rotor de una turbina de vapor moderna utilizada en una planta de energía

Una turbina de vapor es un dispositivo que extrae energía térmica del vapor presurizado y la utiliza para realizar trabajo mecánico en un eje de salida giratorio. Su manifestación moderna fue inventada por Charles Parsons en 1884. ^{[1] [2]}

La turbina de vapor es una forma de motor térmico que obtiene gran parte de su mejora en la eficiencia termodinámica del uso de múltiples etapas en la expansión del vapor, lo que resulta en un enfoque más cercano al proceso de expansión reversible ideal. Debido a que la turbina genera movimiento rotatorio , es particularmente adecuada para ser utilizada para impulsar un generador eléctrico; aproximadamente el 85% de toda la generación de electricidad en los Estados Unidos en el año 2014 se realizó mediante el uso de turbinas de vapor. ^[3] Una turbina de vapor conectada a un generador eléctrico se llama turbogenerador .

Historia

Una turbina de vapor industrial de 250 kW de 1910 (derecha) conectada directamente a un generador (izquierda)

El primer dispositivo que puede clasificarse como turbina de vapor de reacción fue poco más que un juguete, el clásico Aeolipile , descrito en el siglo I por Hero of Alexandria en el Egipto romano . ^{[4] [5]} En 1551, Taqi al-Din en el Egipto otomano describió una turbina de vapor con la aplicación práctica de hacer girar un asador . Las turbinas de vapor también fueron descritas por el italiano Giovanni Branca (1629) ^[6] y John Wilkins en Inglaterra (1648). ^{[7] [8]} Los dispositivos descritos por Taqi al-Din y Wilkins se conocen hoy como tomas de vapor.. En 1672, Ferdinand Verbiest diseñó un automóvil impulsado por turbina de vapor de impulso . Una versión más moderna de este automóvil fue producida en algún momento a fines del siglo XVIII por un mecánico alemán desconocido. En 1775, en Soho, James Watt diseñó una turbina de reacción que se puso a trabajar allí. ^[9] En 1827, los franceses Real y Pichon patentaron y construyeron una turbina de impulso compuesta. ^[10]

La turbina de vapor moderna fue inventada en 1884 por Charles Parsons , cuyo primer modelo estaba conectado a una dínamo que generaba 7.5 kilovatios (10.1 hp) de electricidad. ^[11] La invención de la turbina de vapor de Parsons hizo posible la electricidad abundante y barata y revolucionó el transporte marítimo y la guerra naval. ^[12] El diseño de Parsons era un tipo de reacción . Su patente fue licenciada y la turbina ampliada poco después por un estadounidense, George Westinghouse.. La turbina Parsons también resultó fácil de ampliar. Parsons tuvo la satisfacción de ver su invento adoptado para todas las principales centrales eléctricas del mundo, y el tamaño de los generadores había aumentado desde sus primeros 7.5 kilovatios (10.1 hp) configurados a unidades de 50,000 kilovatios (67,000 hp) de capacidad. Durante la vida de Parsons, la capacidad de generación de una unidad se incrementó en aproximadamente 10,000 veces, ^[13] y la producción total de turbogeneradores construidos por su firma CA Parsons and Company y por sus licenciatarios, solo para fines terrestres, había excedido treinta millones de caballos de fuerza. ^[11]

Se han desarrollado otras variaciones de turbinas que funcionan eficazmente con vapor. La turbina de Laval (inventada por Gustaf de Laval ) aceleraba el vapor a máxima velocidad antes de hacer funcionar contra una pala de turbina. La turbina de impulso de De Laval es más simple y menos costosa y no necesita ser a prueba de presión. Puede funcionar con cualquier presión de vapor, pero es considerablemente menos eficiente. ^{[ cita requerida ]} Auguste Rateau desarrolló una turbina de impulso compuesta de presión utilizando el principio de Laval ya en 1896, ^[14] obtuvo una patente estadounidense en 1903 y aplicó la turbina a un torpedo francés en 1904. Enseñó en la École des minas de Saint-Étiennedurante una década hasta 1897, y posteriormente fundó una exitosa empresa que se incorporó a la firma Alstom tras su muerte. Uno de los fundadores de la teoría moderna de las turbinas de vapor y gas fue Aurel Stodola , un físico e ingeniero eslovaco y profesor en el Instituto Politécnico Suizo (ahora ETH ) en Zúrich. Su obra Die Dampfturbinen und ihre Aussichten als Wärmekraftmaschinen (inglés: The Steam Turbine and its prospective use as a Heat Engine) se publicó en Berlín en 1903. Otro libro Dampf und Gas-Turbinen (inglés: Steam and Gas Turbines) se publicó en 1922. ^[15]

La turbina Brown-Curtis , un tipo de impulso, que había sido desarrollada y patentada originalmente por la empresa estadounidense International Curtis Marine Turbine Company, se desarrolló en la década de 1900 junto con John Brown & Company . Se utilizó en buques mercantes y buques de guerra con motor John Brown, incluidos los transatlánticos y los buques de guerra de la Royal Navy.

Fabricación

Una turbina de vapor sin su tapa superior.

La industria de fabricación actual de turbinas de vapor está hecha por fabricantes que incluyen a Siemens , Mitsubishi , General Electric , BHEL , Power Machines , Ural Turbine Works , Alstom , Doosan Škoda Power y Toshiba . ^{[16] [ necesita actualización ]} . En el mercado chino, los fabricantes de equipos de energía como Harbin Electric , Shanghai Electric y Dongfang Electric , los tres principales fabricantes de equipos de energía en China continental.

Tipos

Las turbinas de vapor se fabrican en una variedad de tamaños que van desde unidades pequeñas de <0,75 kW (<1 hp) (raras) utilizadas como accionamientos mecánicos para bombas, compresores y otros equipos accionados por ejes, hasta turbinas de 1,500 MW (2,000,000 hp) utilizadas para generar electricidad . Existen varias clasificaciones para las turbinas de vapor modernas.

Diseño de palas y escenarios

Diagrama esquemático que describe la diferencia entre un impulso y una turbina de reacción al 50%

Las palas de la turbina son de dos tipos básicos, palas y boquillas . Las palas se mueven por completo debido al impacto del vapor sobre ellas y sus perfiles no convergen. Esto da como resultado una caída de la velocidad del vapor y esencialmente ninguna caída de presión a medida que el vapor se mueve a través de las palas. Una turbina compuesta por palas que se alternan con toberas fijas se llama turbina de impulso ,Turbina Curtis , turbina Rateau o turbina Brown-Curtis . Las boquillas parecen similares a las palas, pero sus perfiles convergen cerca de la salida. Esto da como resultado una caída de presión del vapor y un aumento de velocidad a medida que el vapor se mueve a través de las boquillas. Las boquillas se mueven debido tanto al impacto del vapor sobre ellas como a la reacción debida al vapor de alta velocidad en la salida. Una turbina compuesta de toberas móviles que alternan con toberas fijas se denomina turbina de reacción o turbina Parsons .

A excepción de las aplicaciones de baja potencia, las palas de la turbina están dispuestas en varias etapas en serie, llamadas compuestos , lo que mejora enormemente la eficiencia a bajas velocidades. ^[17] Una etapa de reacción es una fila de boquillas fijas seguida de una fila de boquillas móviles. Múltiples etapas de reacción dividen la caída de presión entre la entrada y el escape de vapor en numerosas gotas pequeñas, lo que da como resultado una turbina compuesta por presión . Las etapas de impulso pueden estar compuestas por presión, compuestas por velocidad o compuestas por presión-velocidad. Una etapa de impulso compuesta por presión es una fila de boquillas fijas seguida de una fila de palas móviles, con múltiples etapas para la composición. Esto también se conoce como turbina Rateau, en honor a su inventor. Una velocidad compuestaLa etapa de impulso (inventada por Curtis y también llamada "rueda de Curtis") es una fila de boquillas fijas seguida de dos o más filas de palas móviles alternadas con filas de palas fijas. Esto divide la caída de velocidad a través del escenario en varias gotas más pequeñas. ^[18] Una serie de etapas de impulso compuesto por velocidad se denomina turbina compuesta por presión-velocidad .

Diagrama de una turbina de vapor marina AEG circa 1905

En 1905, cuando las turbinas de vapor se empezaron a utilizar en barcos rápidos (como el HMS  Dreadnought ) y en aplicaciones de energía terrestres, se determinó que era deseable utilizar una o más ruedas Curtis al comienzo de una etapa múltiple. turbina (donde la presión del vapor es más alta), seguida de etapas de reacción. Esto fue más eficiente con vapor de alta presión debido a la reducción de fugas entre el rotor de la turbina y la carcasa. ^[19] Esto se ilustra en el dibujo de la turbina de vapor marina alemana 1905 AEG . El vapor de las calderas entra por la derecha a alta presión a través de un acelerador , controlado manualmente por un operador (en este caso un marineroconocido como el acelerador). Pasa a través de cinco ruedas Curtis y numerosas etapas de reacción (las paletas pequeñas en los bordes de los dos rotores grandes en el medio) antes de salir a baja presión, casi con certeza a un condensador . El condensador proporciona un vacío que maximiza la energía extraída del vapor y condensa el vapor en agua de alimentación para ser devuelto a las calderas. A la izquierda hay varias etapas de reacción adicionales (en dos rotores grandes) que hacen girar la turbina en reversa para operar a popa, con el vapor admitido por un acelerador separado. Dado que los barcos rara vez se operan en reversa, la eficiencia no es una prioridad en las turbinas de popa, por lo que solo se utilizan unas pocas etapas para ahorrar costos.

Desafíos de diseño de palas

Un desafío importante al que se enfrentó el diseño de turbinas fue reducir la fluencia experimentada por las palas. Debido a las altas temperaturas y las altas tensiones de funcionamiento, los materiales de las turbinas de vapor se dañan a través de estos mecanismos. A medida que aumentan las temperaturas en un esfuerzo por mejorar la eficiencia de la turbina, la fluencia se vuelve significativa. Para limitar la fluencia, en los diseños de palas se utilizan recubrimientos térmicos y superaleaciones con refuerzo de solución sólida y refuerzo del límite de grano .

Los revestimientos protectores se utilizan para reducir el daño térmico y limitar la oxidación . Estos recubrimientos son a menudo cerámicas estabilizadas a base de dióxido de circonio . El uso de una capa protectora térmica limita la exposición a la temperatura de la superaleación de níquel. Esto reduce los mecanismos de fluencia experimentados en la hoja. Los recubrimientos de oxidación limitan las pérdidas de eficiencia causadas por una acumulación en el exterior de las hojas, lo cual es especialmente importante en el entorno de alta temperatura. ^[20]

Las hojas a base de níquel están aleadas con aluminio y titanio para mejorar la resistencia y la resistencia a la fluencia. La microestructura de estas aleaciones se compone de diferentes regiones de composición. Una dispersión uniforme de la fase gamma prima, una combinación de níquel, aluminio y titanio, promueve la fuerza y ​​la resistencia a la fluencia de la hoja debido a la microestructura. ^[21]

Se pueden agregar elementos refractarios como renio y rutenio a la aleación para mejorar la resistencia a la fluencia. La adición de estos elementos reduce la difusión de la fase gamma prima, preservando así la resistencia a la fatiga , la fuerza y ​​la resistencia a la fluencia. ^[22]

Condiciones de suministro y escape de vapor

Una turbina de vapor de baja presión en una central nuclear. Estas turbinas extraen vapor a una presión inferior a la atmosférica.

Los tipos de turbinas incluyen condensación, sin condensación, recalentamiento, extracción e inducción.

Turbinas de condensación

Las turbinas de condensación se encuentran más comúnmente en plantas de energía eléctrica. Estas turbinas reciben vapor de una caldera y lo descargan a un condensador . El vapor agotado se encuentra a una presión muy por debajo de la atmosférica y se encuentra en un estado parcialmente condensado, típicamente de una calidad cercana al 90%.

Turbinas de contrapresión

Las turbinas sin condensación o de contrapresión se utilizan con mayor frecuencia para aplicaciones de vapor de proceso, en las que el vapor se utilizará para fines adicionales después de ser extraído de la turbina. La presión de escape se controla mediante una válvula reguladora para adaptarse a las necesidades de la presión del vapor del proceso. Estos se encuentran comúnmente en refinerías, unidades de calefacción de distrito, plantas de pulpa y papel e instalaciones de desalinización donde se necesitan grandes cantidades de vapor de proceso a baja presión.

Recalentar turbinas

Las turbinas de recalentamiento también se utilizan casi exclusivamente en plantas de energía eléctrica. En una turbina de recalentamiento, el flujo de vapor sale de una sección de alta presión de la turbina y regresa a la caldera donde se agrega recalentamiento adicional. Luego, el vapor regresa a una sección de presión intermedia de la turbina y continúa su expansión. El uso de recalentamiento en un ciclo aumenta la producción de trabajo de la turbina y también la expansión llega a su fin antes de que el vapor se condense, minimizando así la erosión de las palas en las últimas filas. En la mayoría de los casos, el número máximo de recalentamientos empleados en un ciclo es 2 ya que el costo de sobrecalentamiento del vapor anula el aumento en la producción de trabajo de la turbina.

Extracción de turbinas

Las turbinas de tipo extracción son comunes en todas las aplicaciones. En una turbina de tipo de extracción, el vapor se libera de varias etapas de la turbina y se utiliza para las necesidades de procesos industriales o se envía a los calentadores de agua de alimentación de la caldera para mejorar la eficiencia general del ciclo. Los flujos de extracción pueden controlarse con una válvula o dejarse sin control. El vapor extraído da como resultado una pérdida de potencia en las etapas posteriores de la turbina.

Las turbinas de inducción introducen vapor de baja presión en una etapa intermedia para producir energía adicional.

Disposiciones de carcasa o eje

Estos arreglos incluyen turbinas de carcasa simple, compuesto en tándem y compuesto cruzado. Las unidades de carcasa única son el estilo más básico en el que una carcasa y un eje individuales se acoplan a un generador. Los compuestos en tándem se utilizan cuando dos o más carcasas se acoplan directamente para impulsar un solo generador. Una disposición de turbina de compuesto cruzado presenta dos o más ejes que no están en línea y accionan dos o más generadores que a menudo operan a diferentes velocidades. Una turbina de compuesto cruzado se usa típicamente para muchas aplicaciones grandes. A continuación se ilustra una instalación naval típica de las décadas de 1930 y 1960; esto muestra turbinas de alta y baja presión que accionan un engranaje reductor común, con una turbina de crucero con engranajes en una turbina de alta presión.

Disposición de la maquinaria de la turbina de vapor de estribor de los cruceros japoneses Furutaka y Aoba

Rotores de dos flujos

Un rotor de turbina de dos flujos. El vapor entra por el medio del eje y sale por cada extremo, equilibrando la fuerza axial.

El vapor en movimiento imparte un empuje tanto tangencial como axial sobre el eje de la turbina, pero el empuje axial en una turbina simple no tiene oposición. Para mantener la posición y el equilibrio correctos del rotor, esta fuerza debe ser contrarrestada por una fuerza opuesta. Los cojinetes de empuje se pueden usar para los cojinetes del eje, el rotor puede usar pistones falsos, puede ser de doble flujo : el vapor entra en el medio del eje y sale por ambos extremos, o una combinación de cualquiera de estos. En un rotor de doble flujo , las palas en cada mitad se enfrentan en direcciones opuestas, de modo que las fuerzas axiales se niegan entre sí pero las fuerzas tangenciales actúan juntas. Este diseño de rotor también se denomina flujo doble , flujo doble axial o escape doble.. Esta disposición es común en carcasas de baja presión de una turbina compuesta. ^[23]

Principio de funcionamiento y diseño

Una turbina de vapor ideal se considera un proceso isentrópico , o proceso de entropía constante, en el que la entropía del vapor que entra en la turbina es igual a la entropía del vapor que sale de la turbina. Sin embargo, ninguna turbina de vapor es verdaderamente isentrópica, con eficiencias isentrópicas típicas que oscilan entre el 20 y el 90% según la aplicación de la turbina. El interior de una turbina comprende varios juegos de palas o cangilones . Un juego de cuchillas estacionarias está conectado a la carcasa y un juego de cuchillas giratorias está conectado al eje. Los conjuntos se entrelazan con ciertos espacios mínimos, y el tamaño y la configuración de los conjuntos varían para aprovechar de manera eficiente la expansión del vapor en cada etapa.

La eficiencia térmica práctica de una turbina de vapor varía con el tamaño de la turbina, la condición de carga, las pérdidas por espacio y las pérdidas por fricción. Alcanzan valores máximos de hasta aproximadamente el 50% en una turbina de 1.200 MW (1.600.000 CV); los más pequeños tienen una menor eficiencia. ^{[ cita requerida ]} Para maximizar la eficiencia de la turbina, el vapor se expande, haciendo trabajo, en varias etapas. Estas etapas se caracterizan por cómo se extrae la energía de ellas y se conocen como turbinas de impulso o de reacción. La mayoría de las turbinas de vapor utilizan una mezcla de los diseños de reacción e impulso: cada etapa se comporta como una u otra, pero la turbina en general utiliza ambos. Normalmente, las secciones de presión más baja son del tipo de reacción y las etapas de presión más alta son del tipo de impulso. ^{[ cita requerida ]}

Turbinas de impulso

Una selección de álabes de turbina de impulso

Una turbina de impulso tiene boquillas fijas que orientan el flujo de vapor hacia chorros de alta velocidad. Estos chorros contienen una energía cinética significativa, que se convierte en rotación del eje mediante las palas del rotor en forma de cubo, a medida que el chorro de vapor cambia de dirección. Se produce una caída de presión solo en las palas estacionarias, con un aumento neto de la velocidad del vapor en el escenario. A medida que el vapor fluye a través de la boquilla, su presión cae de la presión de entrada a la presión de salida (presión atmosférica o, más habitualmente, el vacío del condensador). Debido a esta alta relación de expansión del vapor, el vapor sale de la boquilla con una velocidad muy alta. El vapor que sale de las palas móviles tiene una gran parte de la velocidad máxima del vapor cuando sale de la boquilla. La pérdida de energía debida a esta mayor velocidad de salida se denomina comúnmente velocidad de arrastre o pérdida por salida.

La ley del momento de la cantidad de movimiento establece que la suma de los momentos de las fuerzas externas que actúan sobre un fluido que ocupa temporalmente el volumen de control es igual al cambio de tiempo neto del flujo de la cantidad de movimiento angular a través del volumen de control.

El fluido que se arremolina ingresa al volumen de control en un radio con velocidad tangencial y sale en un radio con velocidad tangencial .${\displaystyle r_{1}}$${\displaystyle V_{w1}}$${\displaystyle r_{2}}$${\displaystyle V_{w2}}$

Triángulo de velocidad

Un triángulo de velocidad allana el camino para una mejor comprensión de la relación entre las distintas velocidades. En la figura adyacente tenemos:

${\displaystyle V_{1}}$y son las velocidades absolutas en la entrada y la salida, respectivamente.${\displaystyle V_{2}}$

${\displaystyle V_{f1}}$y son las velocidades de flujo en la entrada y la salida, respectivamente.${\displaystyle V_{f2}}$

${\displaystyle V_{w1}}$y son las velocidades de remolino en la entrada y salida, respectivamente, en la referencia móvil.${\displaystyle V_{w2}}$

${\displaystyle V_{r1}}$y son las velocidades relativas en la entrada y la salida, respectivamente.${\displaystyle V_{r2}}$

${\displaystyle U_{1}}$y son las velocidades de la pala en la entrada y salida respectivamente.${\displaystyle U_{2}}$

${\displaystyle \alpha }$es el ángulo de la paleta de guía y es el ángulo de la hoja.${\displaystyle \beta }$

Luego, por la ley del momento del momento, el par en el fluido viene dado por:

${\displaystyle T={\dot {m}}\left(r_{2}V_{w2}-r_{1}V_{w1}\right)}$

Para una turbina de vapor impulso: . Por tanto, la fuerza tangencial sobre las palas es . El trabajo realizado por unidad de tiempo o la energía desarrollada: .${\displaystyle r_{2}=r_{1}=r}$${\displaystyle F_{u}={\dot {m}}\left(V_{w1}-V_{w2}\right)}$${\displaystyle W=T\omega }$

Cuando ω es la velocidad angular de la turbina, entonces la velocidad de la pala es . El poder desarrollado es entonces .${\displaystyle U=\omega r}$${\displaystyle W={\dot {m}}U(\Delta V_{w})}$

Eficiencia de la hoja

La eficiencia de las palas ( ) se puede definir como la relación entre el trabajo realizado en las palas y la energía cinética suministrada al fluido, y viene dada por${\displaystyle {\eta _{b}}}$

${\displaystyle \eta _{b}={\frac {\mathrm {Work~Done} }{\mathrm {Kinetic~Energy~Supplied} }}={\frac {U\Delta V_{w}}{{V_{1}}^{2}}}}$

Eficiencia de la etapa

Boquilla convergente-divergente

Gráfico que representa la eficiencia de la turbina de impulso

Una etapa de una turbina de impulso consta de un juego de boquillas y una rueda móvil. La eficiencia de la etapa define una relación entre la caída de entalpía en la boquilla y el trabajo realizado en la etapa.

${\displaystyle {\eta _{\mathrm {stage} }}={\frac {\mathrm {Work~done~on~blade} }{\mathrm {Energy~supplied~per~stage} }}={\frac {U\Delta V_{w}}{\Delta h}}}$

¿Dónde está la gota de entalpía específica del vapor en la boquilla?${\displaystyle \Delta h=h_{2}-h_{1}}$

Según la primera ley de la termodinámica :

${\displaystyle h_{1}+{\frac {1}{2}}{V_{1}}^{2}=h_{2}+{\frac {1}{2}}{V_{2}}^{2}}$

Suponiendo que sea ​​apreciablemente menor que , obtenemos . Además, la eficiencia de la etapa es el producto de la eficiencia de la hoja y la eficiencia de la boquilla, o .${\displaystyle V_{1}}$${\displaystyle V_{2}}$${\displaystyle {\Delta h}\approx {\frac {1}{2}}{V_{2}}^{2}}$${\displaystyle \eta _{\text{stage}}=\eta _{b}\eta _{N}}$

La eficiencia de la boquilla viene dada por , donde está la entalpía (en J / Kg) del vapor en la entrada de la boquilla y la entalpía del vapor en la salida de la boquilla .${\displaystyle \eta _{N}={\frac {{V_{2}}^{2}}{2\left(h_{1}-h_{2}\right)}}}$${\displaystyle h_{1}}$${\displaystyle h_{2}}$

${\displaystyle {\begin{aligned}\Delta V_{w}&=V_{w1}-\left(-V_{w2}\right)\\&=V_{w1}+V_{w2}\\&=V_{r1}\cos \beta _{1}+V_{r2}\cos \beta _{2}\\&=V_{r1}\cos \beta _{1}\left(1+{\frac {V_{r2}\cos \beta _{2}}{V_{r1}\cos \beta _{1}}}\right)\end{aligned}}}$

La relación de los cosenos de los ángulos de las palas en la salida y la entrada se puede tomar y denotar . La relación de las velocidades del vapor con respecto a la velocidad del rotor en la salida y la entrada de la pala se define por el coeficiente de fricción .${\displaystyle c={\frac {\cos \beta _{2}}{\cos \beta _{1}}}}$${\displaystyle k={\frac {V_{r2}}{V_{r1}}}}$

${\displaystyle k<1}$y representa la pérdida de velocidad relativa debida a la fricción a medida que el vapor fluye alrededor de las palas ( para palas lisas).${\displaystyle k=1}$

${\displaystyle \eta _{b}={\frac {2U\Delta V_{w}}{{V_{1}}^{2}}}={\frac {2U}{V_{1}}}\left(\cos \alpha _{1}-{\frac {U}{V_{1}}}\right)(1+kc)}$

La relación entre la velocidad de la pala y la velocidad absoluta del vapor en la entrada se denomina relación de velocidad de la pala .${\displaystyle \rho ={\frac {U}{V_{1}}}}$

${\displaystyle \eta _{b}}$es máximo cuando o ,. Eso implica y por lo tanto . Ahora (para una turbina de impulso de una sola etapa).${\displaystyle {\frac {d\eta _{b}}{d\rho }}=0}$${\displaystyle {\frac {d}{d\rho }}\left(2{\cos \alpha _{1}-\rho ^{2}}(1+kc)\right)=0}$${\displaystyle \rho ={\frac {1}{2}}\cos \alpha _{1}}$${\displaystyle {\frac {U}{V_{1}}}={\frac {1}{2}}\cos \alpha _{1}}$${\displaystyle \rho _{opt}={\frac {U}{V_{1}}}={\frac {1}{2}}\cos \alpha _{1}}$

Por lo tanto, el valor máximo de la eficiencia de la etapa se obtiene poniendo el valor de en la expresión de .${\displaystyle {\frac {U}{V_{1}}}={\frac {1}{2}}\cos \alpha _{1}}$${\displaystyle \eta _{b}}$

Obtenemos: .${\displaystyle {\eta _{b}}_{\text{max}}=2\left(\rho \cos \alpha _{1}-\rho ^{2}\right)(1+kc)={\frac {1}{2}}\cos ^{2}\alpha _{1}(1+kc)}$

Para palas equiangulares , por lo tanto , y obtenemos . Si se desprecia la fricción debida a la superficie de la hoja, entonces .${\displaystyle \beta _{1}=\beta _{2}}$${\displaystyle c=1}$${\displaystyle {\eta _{b}}_{\text{max}}={\frac {1}{2}}\cos ^{2}\alpha _{1}(1+k)}$${\displaystyle {\eta _{b}}_{\text{max}}=\cos ^{2}\alpha _{1}}$

Conclusiones sobre la máxima eficiencia

${\displaystyle {\eta _{b}}_{\text{max}}=\cos ^{2}\alpha _{1}}$

1. Para una velocidad de vapor dada, el trabajo realizado por kg de vapor sería máximo cuando o .${\displaystyle \cos ^{2}\alpha _{1}=1}$${\displaystyle \alpha _{1}=0}$
2. A medida que aumenta, el trabajo realizado en las palas se reduce, pero al mismo tiempo se reduce el área de la superficie de la cuchilla, por lo que hay menos pérdidas por fricción.${\displaystyle \alpha _{1}}$

Turbinas de reaccion

En la turbina de reacción , las propias palas del rotor están dispuestas para formar toberas convergentes . Este tipo de turbina aprovecha la fuerza de reacción que se produce cuando el vapor acelera a través de las boquillas formadas por el rotor. El vapor se dirige al rotor mediante las paletas fijas del estator.. Sale del estator como un chorro que llena toda la circunferencia del rotor. Luego, el vapor cambia de dirección y aumenta su velocidad en relación con la velocidad de las palas. Se produce una caída de presión tanto en el estator como en el rotor, con el vapor acelerando a través del estator y desacelerando a través del rotor, sin cambio neto en la velocidad del vapor a través de la etapa, pero con una disminución tanto de la presión como de la temperatura, lo que refleja el trabajo realizado en la etapa. conducción del rotor.

Eficiencia de la hoja

Entrada de energía a las palas en una etapa:

${\displaystyle E=\Delta h}$ es igual a la energía cinética suministrada a las palas fijas (f) + la energía cinética suministrada a las palas móviles (m).

O, = caída de entalpía sobre las cuchillas fijas, + gota de entalpía a través de los álabes móviles, .${\displaystyle E}$${\displaystyle \Delta h_{f}}$${\displaystyle \Delta h_{m}}$

El efecto de la expansión del vapor sobre las palas en movimiento es aumentar la velocidad relativa a la salida. Por lo tanto, la velocidad relativa a la salida es siempre mayor que la velocidad relativa a la entrada .${\displaystyle V_{r2}}$${\displaystyle V_{r1}}$

En términos de velocidades, la caída de entalpía sobre las palas móviles viene dada por:

${\displaystyle \Delta h_{m}={\frac {V_{r2}^{2}-V_{r1}^{2}}{2}}}$

(contribuye a un cambio en la presión estática)

Diagrama de velocidad

La caída de entalpía en las palas fijas, con el supuesto de que la velocidad del vapor que ingresa a las palas fijas es igual a la velocidad del vapor que sale de las palas en movimiento anterior, viene dada por:

${\displaystyle \Delta h_{f}={\frac {V_{1}^{2}-V_{0}^{2}}{2}}}$

donde V ₀ es la velocidad de entrada del vapor en la boquilla

${\displaystyle V_{0}}$es muy pequeño y, por lo tanto, puede pasarse por alto. Por lo tanto,${\displaystyle \Delta h_{f}={\frac {V_{1}^{2}}{2}}}$

${\displaystyle {\begin{aligned}E&=\Delta h_{f}+\Delta h_{m}\\&={\frac {V_{1}^{2}}{2}}+{\frac {V_{r2}^{2}-V_{r1}^{2}}{2}}\end{aligned}}}$

Un diseño muy utilizado tiene medio grado de reacción o 50% de reacción y esto se conoce como turbina de Parson . Consiste en álabes simétricos de rotor y estator. Para esta turbina el triángulo de velocidades es similar y tenemos:

${\displaystyle \alpha _{1}=\beta _{2}}$, ${\displaystyle \beta _{1}=\alpha _{2}}$

${\displaystyle V_{1}=V_{r2}}$, ${\displaystyle V_{r1}=V_{2}}$

Suponiendo la turbina de Parson y obteniendo todas las expresiones obtenemos

${\displaystyle E=V_{1}^{2}-{\frac {V_{r1}^{2}}{2}}}$

Del triángulo de velocidad de entrada tenemos ${\displaystyle V_{r1}^{2}=V_{1}^{2}+U^{2}-2UV_{1}\cos \alpha _{1}}$

${\displaystyle {\begin{aligned}E&=V_{1}^{2}-{\frac {V_{1}^{2}}{2}}-{\frac {U^{2}}{2}}+{\frac {2UV_{1}\cos \alpha _{1}}{2}}\\&={\frac {V_{1}^{2}-U^{2}+2UV_{1}\cos \alpha _{1}}{2}}\end{aligned}}}$

Trabajo realizado (para flujo másico unitario por segundo): ${\displaystyle W=U\Delta V_{w}=U\left(2V_{1}\cos \alpha _{1}-U\right)}$

Por lo tanto, la eficiencia de la hoja viene dada por

${\displaystyle \eta _{b}={\frac {2U(2V_{1}\cos \alpha _{1}-U)}{V_{1}^{2}-U^{2}+2V_{1}U\cos \alpha _{1}}}}$

Condición de máxima eficiencia de la hoja

Comparación de las eficiencias de las turbinas de impulso y de reacción

Si entonces${\displaystyle {\rho }={\frac {U}{V_{1}}}}$

${\displaystyle {\eta _{b}}_{\text{max}}={\frac {2\rho (\cos \alpha _{1}-\rho )}{V_{1}^{2}-U^{2}+2UV_{1}\cos \alpha _{1}}}}$

Para una máxima eficiencia , obtenemos${\displaystyle {d\eta _{b} \over d\rho }=0}$

${\displaystyle \left(1-\rho ^{2}+2\rho \cos \alpha _{1}\right)\left(4\cos \alpha _{1}-4\rho \right)-2\rho \left(2\cos \alpha _{1}-\rho \right)\left(-2\rho +2\cos \alpha _{1}\right)=0}$

y esto finalmente da ${\displaystyle \rho _{opt}={\frac {U}{V_{1}}}=\cos \alpha _{1}}$

Por lo tanto, se encuentra poniendo el valor de en la expresión de la eficiencia de la hoja.${\displaystyle {\eta _{b}}_{\text{max}}}$${\displaystyle \rho =\cos \alpha _{1}}$

${\displaystyle {\begin{aligned}{\eta _{b}}_{\text{reaction}}&={\frac {2\cos ^{2}\alpha _{1}}{1+\cos ^{2}\alpha _{1}}}\\{\eta _{b}}_{\text{impulse}}&=\cos ^{2}\alpha _{1}\end{aligned}}}$

Operación y mantenimiento

Una moderna instalación de generador de turbina de vapor

Debido a las altas presiones utilizadas en los circuitos de vapor y los materiales utilizados, las turbinas de vapor y sus carcasas tienen una alta inercia térmica . Al calentar una turbina de vapor para su uso, las válvulas de cierre de vapor principales (después de la caldera) tienen una línea de derivación para permitir que el vapor sobrecalentado pase lentamente por la válvula y proceda a calentar las líneas del sistema junto con la turbina de vapor. Además, se activa un engranaje giratorio cuando no hay vapor para girar lentamente la turbina para garantizar un calentamiento uniforme y evitar una expansión desigual.. Después de girar primero la turbina con el engranaje de giro, dejando tiempo para que el rotor adopte un plano recto (sin arqueamiento), luego se desacopla el engranaje de giro y se admite vapor a la turbina, primero a las palas de popa y luego a las palas de adelante lentamente. girando la turbina a 10-15 RPM (0,17-0,25 Hz) para calentar lentamente la turbina. El procedimiento de calentamiento para grandes turbinas de vapor puede exceder las diez horas. ^[24]

Durante el funcionamiento normal, el desequilibrio del rotor puede provocar vibraciones que, debido a las altas velocidades de rotación, podrían provocar que una cuchilla se desprenda del rotor y atraviese la carcasa. Para reducir este riesgo, se realizan esfuerzos considerables para equilibrar la turbina. Además, las turbinas funcionan con vapor de alta calidad: vapor sobrecalentado (seco) o saturadovapor con una alta fracción de sequedad. Esto evita el impacto rápido y la erosión de las palas que se produce cuando se lanza agua condensada sobre las palas (arrastre de humedad). Además, el agua líquida que ingresa a las palas puede dañar los cojinetes de empuje del eje de la turbina. Para evitar esto, junto con controles y deflectores en las calderas para garantizar un vapor de alta calidad, se instalan drenajes de condensado en la tubería de vapor que conduce a la turbina.

Los requisitos de mantenimiento de las turbinas de vapor modernas son simples e incurren en costos bajos (típicamente alrededor de $ 0.005 por kWh); ^[24] su vida operativa a menudo supera los 50 años. ^[24]

Regulación de velocidad

Diagrama de un sistema generador de turbina de vapor

El control de una turbina con un gobernador es esencial, ya que las turbinas deben funcionar lentamente para evitar daños y algunas aplicaciones (como la generación de electricidad de corriente alterna) requieren un control preciso de la velocidad. ^[25] La aceleración incontrolada del rotor de la turbina puede provocar un disparo por exceso de velocidad, lo que hace que se cierren el regulador y las válvulas de mariposa que controlan el flujo de vapor a la turbina. Si estas válvulas fallan, la turbina puede continuar acelerando hasta romperse, a menudo catastróficamente. Las turbinas son caras de fabricar y requieren una fabricación de precisión y materiales de calidad especial.

Durante el funcionamiento normal en sincronización con la red eléctrica, las centrales eléctricas se rigen con un control de velocidad de caída del cinco por ciento . Esto significa que la velocidad a plena carga es del 100% y la velocidad sin carga es del 105%. Esto es necesario para el funcionamiento estable de la red sin caídas y abandonos de las centrales eléctricas. Normalmente los cambios de velocidad son menores. Los ajustes en la salida de potencia se realizan elevando lentamente la curva de caída al aumentar la presión del resorte en un gobernador centrífugo . Generalmente, este es un requisito básico del sistema para todas las plantas de energía porque las plantas más antiguas y más nuevas tienen que ser compatibles en respuesta a los cambios instantáneos de frecuencia sin depender de la comunicación externa. ^[26]

Termodinámica de turbinas de vapor

Diagrama Ts de un ciclo Rankine sobrecalentado

La turbina de vapor funciona según los principios básicos de la termodinámica utilizando la parte 3-4 del ciclo de Rankine que se muestra en el diagrama adjunto. RecalentadoEl vapor (o vapor seco saturado, según la aplicación) sale de la caldera a alta temperatura y alta presión. Al entrar en la turbina, el vapor gana energía cinética al pasar a través de una boquilla (una boquilla fija en una turbina de impulso o las palas fijas en una turbina de reacción). Cuando el vapor sale de la boquilla, se mueve a gran velocidad hacia las palas del rotor de la turbina. Se crea una fuerza en las palas debido a la presión del vapor en las palas que hace que se muevan. Se puede colocar un generador u otro dispositivo similar en el eje, y la energía que estaba en el vapor ahora se puede almacenar y usar. El vapor sale de la turbina como un vapor saturado (o una mezcla de líquido-vapor según la aplicación) a una temperatura y presión más bajas de las que ingresó y se envía al condensador para ser enfriado.^[27] La primera ley nos permite encontrar una fórmula para la velocidad a la que se desarrolla el trabajo por unidad de masa. Suponiendo que no hay transferencia de calor al entorno circundante y que los cambios en la energía cinética y potencial son insignificantes en comparación con el cambio en la entalpía específica, llegamos a la siguiente ecuación

${\displaystyle {\frac {\dot {W}}{\dot {m}}}=h_{3}-h_{4}}$

donde

• Ẇ es la tasa a la que se desarrolla el trabajo por unidad de tiempo
• ṁ es la tasa de flujo másico a través de la turbina

Eficiencia isentrópica

Para medir qué tan bien se está desempeñando una turbina, podemos observar su eficiencia isentrópica . Esto compara el rendimiento real de la turbina con el rendimiento que se lograría con una turbina isentrópica ideal. ^[28] Al calcular esta eficiencia, se supone que la pérdida de calor al entorno es cero. La presión y la temperatura de arranque del vapor son las mismas para las turbinas real e ideal, pero a la salida de la turbina, el contenido de energía del vapor ('entalpía específica') para la turbina real es mayor que el de la turbina ideal debido a la irreversibilidad en la turbina real. . La entalpía específica se evalúa a la misma presión de vapor para las turbinas real e ideal con el fin de proporcionar una buena comparación entre las dos.

La eficiencia isentrópica se obtiene dividiendo el trabajo real por el trabajo ideal. ^[28]

${\displaystyle \eta _{t}={\frac {h_{3}-h_{4}}{h_{3}-h_{4s}}}}$

donde

• h ₃ es la entalpía específica en el estado tres
• h ₄ es la entalpía específica en el estado 4 para la turbina real
• h _4s es la entalpía específica en el estado 4s para la turbina isentrópica

(pero tenga en cuenta que el diagrama adyacente no muestra el estado 4s: está verticalmente debajo del estado 3)

Manejo directo

Una turbina de vapor de 5 MW de accionamiento directo

Las centrales eléctricas utilizan grandes turbinas de vapor que impulsan generadores eléctricos para producir la mayor parte (alrededor del 80%) de la electricidad del mundo. El advenimiento de las grandes turbinas de vapor hizo práctica la generación de electricidad en la estación central, ya que las máquinas de vapor recíprocas de gran potencia se volvieron muy voluminosas y operaron a velocidades lentas. La mayoría de las estaciones centrales son plantas de energía de combustibles fósiles y plantas de energía nuclear ; algunas instalaciones usan vapor geotérmico o usan energía solar concentrada (CSP) para crear el vapor. Las turbinas de vapor también se pueden utilizar directamente para impulsar grandes bombas centrífugas , como bombas de agua de alimentación en una planta de energía térmica .

Las turbinas utilizadas para la generación de energía eléctrica suelen estar acopladas directamente a sus generadores. Como los generadores deben girar a velocidades sincrónicas constantes de acuerdo con la frecuencia del sistema de energía eléctrica, las velocidades más comunes son 3000 RPM para sistemas de 50 Hz y 3600 RPM para sistemas de 60 Hz. Dado que los reactores nucleares tienen límites de temperatura más bajos que las plantas de combustión fósil, con una calidad de vapor más baja , los grupos electrógenos de turbina se pueden configurar para operar a la mitad de estas velocidades, pero con generadores de cuatro polos, para reducir la erosión de las palas de la turbina. ^[29]

Propulsión marina

"Turbine Steam Ship" vuelve a dirigir aquí. Para otros usos, consulte TS (desambiguación) .

Ver también: motor de vapor marino

Turbinia , 1894, el primer barco propulsado por turbina de vapor

Turbinas de alta y baja presión para SS  Maui

Turbina Parsons del destructor polaco Wicher de 1928

En los barcos de vapor , las ventajas de las turbinas de vapor sobre los motores alternativos son el tamaño más pequeño, menor mantenimiento, menor peso y menor vibración. Una turbina de vapor es eficiente solo cuando opera en miles de RPM, mientras que los diseños de hélice más efectivos son para velocidades inferiores a 300 RPM; en consecuencia, generalmente se requieren engranajes de reducción precisos (por lo tanto costosos), aunque numerosos barcos tempranos durante la Primera Guerra Mundial , como el Turbinia , tenían transmisión directa desde las turbinas de vapor a los ejes de la hélice. Otra alternativa es la transmisión turboeléctrica., en el que un generador eléctrico accionado por la turbina de alta velocidad se utiliza para hacer funcionar uno o más motores eléctricos de baja velocidad conectados a los ejes de la hélice; El corte de engranajes de precisión puede ser un cuello de botella en la producción durante tiempos de guerra. El propulsor turboeléctrico se utilizó principalmente en los grandes buques de guerra estadounidenses diseñados durante la Primera Guerra Mundial y en algunos transatlánticos rápidos, y se utilizó en algunos transportes de tropas y escoltas de destructores de producción en masa en la Segunda Guerra Mundial .

El mayor costo de las turbinas y los engranajes asociados o conjuntos de generador / motor se compensa con menores requisitos de mantenimiento y el menor tamaño de una turbina en comparación con un motor alternativo de igual potencia, aunque los costos de combustible son más altos que los de un motor diesel porque las turbinas de vapor tienen menor eficiencia térmica. Para reducir los costos de combustible, la eficiencia térmica de ambos tipos de motor se ha mejorado a lo largo de los años.

Desarrollo temprano

El desarrollo de la propulsión marina con turbinas de vapor de 1894 a 1935 estuvo dominado por la necesidad de conciliar la alta velocidad eficiente de la turbina con la baja velocidad eficiente (menos de 300 rpm) de la hélice del barco a un costo total competitivo con los motores alternativos . En 1894, los engranajes reductores eficientes no estaban disponibles para las altas potencias requeridas por los barcos, por lo que era necesario el accionamiento directo . En Turbinia, que tiene transmisión directa a cada eje de la hélice, la velocidad eficiente de la turbina se redujo después de las pruebas iniciales al dirigir el flujo de vapor a través de las tres turbinas de transmisión directa (una en cada eje) en serie, probablemente totalizando alrededor de 200 etapas de turbina que operan en serie. . Además, había tres hélices en cada eje para operar a altas velocidades. ^[30] Las altas velocidades del eje de la época están representadas por uno de los primeros destructores estadounidenses propulsados ​​por turbinas , el USS  Smith , lanzado en 1909, que tenía turbinas de accionamiento directo y cuyos tres ejes giraban a 724 rpm a 28,35 nudos (52,50 km / h; 32,62 mph). ^[31]

El uso de turbinas en varias carcasas que descargan vapor entre sí en serie se convirtió en estándar en la mayoría de las aplicaciones de propulsión marina posteriores, y es una forma de combinación cruzada . La primera turbina se llamó turbina de alta presión (HP), la última turbina fue la turbina de baja presión (LP) y cualquier turbina en el medio era una turbina de presión intermedia (IP). Un arreglo mucho más tardío que Turbinia se puede ver en RMS  Queen Mary en Long Beach, California , lanzado en 1934, en el que cada eje es impulsado por cuatro turbinas en serie conectadas a los extremos de los dos ejes de entrada de una caja de cambios de reducción simple. Son las turbinas HP, 1st IP, 2nd IP y LP.

Maquinaria de crucero y engranajes

La búsqueda de la economía fue aún más importante cuando se consideraron las velocidades de crucero. La velocidad de crucero es aproximadamente el 50% de la velocidad máxima de un buque de guerra y el 20-25% de su nivel máximo de potencia. Esta sería una velocidad utilizada en viajes largos cuando se desea economía de combustible. Aunque esto redujo las velocidades de la hélice a un rango eficiente, la eficiencia de la turbina se redujo en gran medida y los primeros barcos de turbina tenían rangos de crucero pobres. Una solución que resultó útil durante la mayor parte de la era de la propulsión de turbinas de vapor fue la turbina de crucero. Esta era una turbina adicional para agregar aún más etapas, al principio unida directamente a uno o más ejes, con escape a una etapa a lo largo de la turbina HP y no se usaba a altas velocidades. Cuando los engranajes reductores estuvieron disponibles alrededor de 1911, algunos barcos, en particular el acorazado USS  Nevada, los tenía en turbinas de crucero conservando las turbinas principales de transmisión directa. Los engranajes reductores permitían que las turbinas funcionaran en su rango eficiente a una velocidad mucho más alta que el eje, pero eran costosos de fabricar.

Las turbinas de crucero compitieron al principio con los motores alternativos por el ahorro de combustible. Un ejemplo de la retención de motores alternativos en barcos rápidos fue el famoso RMS  Titanic de 1911, que junto con sus hermanas RMS  Olympic y HMHS  Britannic tenían motores de triple expansión en los dos ejes externos, ambos con escape a una turbina LP en el eje central. . Después de adoptar turbinas con los acorazados clase Delaware lanzados en 1909, la Armada de los Estados Unidos volvió a utilizar maquinaria recíproca en los acorazados clase Nueva York de 1912, luego volvió a las turbinas en Nevada.en 1914. La afición persistente por la maquinaria recíproca se debió a que la Marina de los EE. UU. no tenía planes para barcos capitales que superaran los 21 nudos (39 km / h; 24 mph) hasta después de la Primera Guerra Mundial, por lo que la velocidad máxima era menos importante que el crucero económico. Estados Unidos había adquirido Filipinas y Hawai como territorios en 1898 y carecía de la red mundial de estaciones de carbón de la Royal Navy británica . Por lo tanto, la Armada de los EE. UU. En 1900-1940 tenía la mayor necesidad de economía de combustible de cualquier nación, especialmente debido a la perspectiva de una guerra con Japón.surgió después de la Primera Guerra Mundial. Esta necesidad se vio agravada por el hecho de que EE. UU. no lanzó ningún crucero entre 1908 y 1920, por lo que se requirió que los destructores realizaran misiones de largo alcance generalmente asignadas a los cruceros. Por lo tanto, se instalaron varias soluciones de crucero en los destructores estadounidenses lanzados entre 1908 y 1916. Estos incluían pequeños motores alternativos y turbinas de crucero con o sin engranajes en uno o dos ejes. Sin embargo, una vez que las turbinas con engranajes completos demostraron ser económicas en costo inicial y combustible, se adoptaron rápidamente, y las turbinas de crucero también se incluyeron en la mayoría de los barcos. A partir de 1915, todos los nuevos destructores de la Royal Navy tenían turbinas totalmente adaptadas, y Estados Unidos lo siguió en 1917.

En la Royal Navy , la velocidad era una prioridad hasta que la Batalla de Jutlandia a mediados de 1916 demostró que en los cruceros de batalla se había sacrificado demasiada armadura en su persecución. Los británicos utilizaron exclusivamente buques de guerra propulsados ​​por turbinas a partir de 1906. Debido a que reconocieron que sería deseable un largo alcance de crucero dado su imperio mundial, algunos buques de guerra, en particular los acorazados de la clase Queen Elizabeth , fueron equipados con turbinas de crucero a partir de 1912 después de instalaciones experimentales anteriores. .

En la Marina de los Estados Unidos, los destructores de la clase Mahan , lanzados entre 1935 y 1936, introdujeron el engranaje de doble reducción. Esto aumentó aún más la velocidad de la turbina por encima de la velocidad del eje, permitiendo turbinas más pequeñas que los engranajes de reducción simple. Las presiones y temperaturas del vapor también aumentaron progresivamente, de 300 psi (2100 kPa) / 425 ° F (218 ° C) [vapor saturado] en la clase Wickes de la Primera Guerra Mundial a 615 psi (4240 kPa) / 850 ° F ( 454 ° C) [vapor sobrecalentado] en algunos destructores de la clase Fletcher de la Segunda Guerra Mundial y barcos posteriores. ^{[32] [33]}Surgió una configuración estándar de una turbina de alta presión de flujo axial (a veces con una turbina de crucero adjunta) y una turbina de baja presión de flujo axial doble conectada a una caja de engranajes de doble reducción. Esta disposición continuó durante la era del vapor en la Marina de los EE. UU. Y también se utilizó en algunos diseños de la Royal Navy. ^{[34] [35] La} maquinaria de esta configuración se puede ver en muchos buques de guerra conservados de la era de la Segunda Guerra Mundial en varios países. ^[36]

Cuando se reanudó la construcción de buques de guerra de la Armada de los EE. UU. A principios de la década de 1950, la mayoría de los combatientes de superficie y portaaviones utilizaban vapor de 1.200 psi (8.300 kPa) / 950 ° F (510 ° C). ^[37] Esto continuó hasta el final de la era de los buques de guerra a vapor de la Armada de los EE. UU. Con las fragatas de la clase Knox de principios de la década de 1970. Los barcos anfibios y auxiliares continuaron utilizando vapor de 600 psi (4,100 kPa) después de la Segunda Guerra Mundial, con el USS  Iwo Jima , botado en 2001, posiblemente el último barco de vapor no nuclear construido para la Marina de los Estados Unidos.

Accionamiento turboeléctrico

NS  50 Let Pobedy , un rompehielos nuclear con propulsión nuclear-turbo-eléctrica

Unidad turbo-eléctrica se introdujo en el acorazado USS  New México , lanzado en el año 1917. Durante los siguientes ocho años, la Armada de los Estados Unidos lanzó cinco acorazados de turbo-propulsión eléctrica adicionales y dos portaaviones (inicialmente ordenó como Lexington battlecruisers -class ). Se planearon diez naves capitales turboeléctricas más, pero se cancelaron debido a los límites impuestos por el Tratado Naval de Washington .

Aunque Nuevo México fue reacondicionado con turbinas con engranajes en un reacondicionamiento de 1931-1933, los barcos turboeléctricos restantes conservaron el sistema a lo largo de sus carreras. Este sistema utilizó dos grandes generadores de turbina de vapor para impulsar un motor eléctrico en cada uno de los cuatro ejes. El sistema era menos costoso inicialmente que los engranajes de reducción e hizo que los barcos fueran más maniobrables en el puerto, con los ejes capaces de retroceder rápidamente y entregar más potencia de retroceso que con la mayoría de los sistemas de engranajes.

Algunos transatlánticos también se construyeron con propulsión turboeléctrica, al igual que algunos transportes de tropas y escoltas de destructores de producción en masa en la Segunda Guerra Mundial . Sin embargo, cuando EE. UU. Diseñó los "cruceros del tratado", comenzando con el USS  Pensacola lanzado en 1927, se utilizaron turbinas con engranajes para ahorrar peso y, a partir de entonces, se mantuvieron en uso para todos los barcos rápidos propulsados ​​por vapor.

Uso actual

Desde la década de 1980, las turbinas de vapor han sido reemplazadas por turbinas de gas en barcos rápidos y por motores diesel en otros barcos; las excepciones son los buques y submarinos de propulsión nuclear y los transportadores de GNL . ^[38] Algunos barcos auxiliares continúan utilizando propulsión a vapor.

En la Marina de los EE. UU., La turbina de vapor de propulsión convencional todavía se usa en todos los barcos de asalto anfibio clase Wasp, excepto uno . La Royal Navy desmanteló su última clase de buque de guerra de superficie a vapor convencional, el muelle de la plataforma de aterrizaje de la clase Fearless , en 2002, y la Armada italiana lo siguió en 2006 al desmantelar sus últimos buques de guerra de superficie a vapor convencionales, los destructores de clase Audace . En 2013, la Armada francesa terminó su era del vapor con el desmantelamiento de su última fragata clase Tourville . Entre las otras armadas de aguas azules , La Armada de Rusia actualmente opera a vapor Kuznetsov -class portaaviones y Sovremenny -class destructores . La Armada de la India opera actualmente INS Vikramaditya , un portaaviones de clase Kiev modificado ; también opera tres fragatas de clase Brahmaputra encargadas a principios de la década de 2000 y una fragata de clase Godavari programada para su desmantelamiento. La Armada china opera actualmente portaaviones de clase Kuznetsov propulsados ​​a vapor , Sovremenny -Clase destructores junto con Luda -class destructores y el solitario destructor Tipo 051B . La mayoría de las demás fuerzas navales se han retirado o han rediseñado sus buques de guerra propulsados ​​por vapor. A partir de 2020, la Armada de México opera cuatro ex fragatas de clase Knox de Estados Unidos impulsadas a vapor . La Armada de Egipto y la Armada de la República de China operan, respectivamente, dos y seis antiguas fragatas estadounidenses de clase Knox . La Armada ecuatoriana opera actualmente dos fragatas clase Condell a vapor (modificado Fragatas clase Leander ).

Hoy en día, las eficiencias del ciclo de las turbinas de vapor de propulsión aún no se han reducido al 50%, pero los motores diésel superan habitualmente el 50%, especialmente en aplicaciones marinas. ^{[39] [40] [41]} Las plantas de energía diesel también tienen costos operativos más bajos ya que se requieren menos operadores. Por tanto, la energía de vapor convencional se utiliza en muy pocos barcos nuevos. Una excepción son los transportistas de GNL, que a menudo encuentran más económico usar gas de ebullición con una turbina de vapor que volver a licuarlo.

Los barcos y submarinos de propulsión nuclear utilizan un reactor nuclear para generar vapor para las turbinas. La energía nuclear se elige a menudo cuando la energía diesel no sería práctica (como en aplicaciones submarinas ) o la logística del reabastecimiento de combustible plantea problemas importantes (por ejemplo, rompehielos ). Se ha estimado que el combustible del reactor para la Royal Navy 's Vanguard submarinos -class es suficiente para últimos 40 vueltas al mundo - potencialmente suficientes para toda la vida útil del buque. La propulsión nuclear solo se ha aplicado a muy pocos buques comerciales debido al gasto de mantenimiento y los controles reglamentarios requeridos en los sistemas nucleares y los ciclos del combustible.

Locomotoras

Artículo principal: locomotora de turbina de vapor

Una locomotora de turbina de vapor es una locomotora de vapor impulsada por una turbina de vapor. La primera locomotora ferroviaria con turbina de vapor se construyó en 1908 para la Officine Meccaniche Miani Silvestri Grodona Comi, Milán, Italia. En 1924, Krupp construyó la locomotora de turbina de vapor T18 001, operativa en 1929, para Deutsche Reichsbahn .

Las principales ventajas de una locomotora de turbina de vapor son un mejor equilibrio rotacional y un menor golpe de martillo en la vía. Sin embargo, una desventaja es la potencia de salida menos flexible, de modo que las locomotoras de turbina eran las más adecuadas para operaciones de largo recorrido con una potencia de salida constante. ^[42]

Pruebas

Se utilizan códigos de prueba británicos, alemanes y otros códigos de prueba nacionales e internacionales para estandarizar los procedimientos y definiciones utilizados para probar turbinas de vapor. La selección del código de prueba que se utilizará es un acuerdo entre el comprador y el fabricante, y tiene cierta importancia para el diseño de la turbina y los sistemas asociados.

En los Estados Unidos, ASME ha elaborado varios códigos de prueba de rendimiento en turbinas de vapor. Estos incluyen ASME PTC 6–2004, Turbinas de vapor, ASME PTC 6.2-2011, Turbinas de vapor en ciclos combinados , PTC 6S-1988, Procedimientos para la prueba de rendimiento de rutina de turbinas de vapor. Estos códigos de prueba de rendimiento de ASME han ganado reconocimiento y aceptación internacional para probar turbinas de vapor. La característica más importante y diferenciadora de los códigos de prueba de rendimiento de ASME, incluido el PTC 6, es que la incertidumbre de la prueba de la medición indica la calidad de la prueba y no debe utilizarse como tolerancia comercial. ^[43]

Ver también

• Equilibradora
• Turbina de vapor de mercurio
• Máquina de vapor
• Turbina de tesla

Referencias

Notas

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Fuentes

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Otras lecturas

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enlaces externos

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Turbinas de vapor .

• Turbinas de vapor: un libro de instrucciones para el ajuste y funcionamiento de los tipos principales de esta clase de motores primarios por Hubert E Collins
• Construcción de turbinas de vapor en Mike's Engineering Wonders
• Tutorial: "Vapor sobrecalentado"
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