Una turbina de vapor es una máquina que extrae energía térmica del vapor presurizado y la utiliza para realizar un trabajo mecánico en un eje de salida giratorio. Su manifestación moderna fue inventada por Charles Parsons en 1884. [1] [2] La fabricación de una turbina de vapor moderna implica un trabajo en metal avanzado para formar aleaciones de acero de alta calidad en piezas de precisión utilizando tecnologías que estuvieron disponibles por primera vez en el siglo XX; Los continuos avances en durabilidad y eficiencia de las turbinas de vapor siguen siendo fundamentales para la economía energética del siglo XXI.
La turbina de vapor es una forma de máquina térmica que deriva gran parte de su mejora en la eficiencia termodinámica del uso de múltiples etapas en la expansión del vapor, lo que resulta en un acercamiento más cercano al proceso ideal de expansión reversible. Debido a que la turbina genera un movimiento rotatorio , es especialmente adecuada 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 .
A partir de 2021, entre las turbinas de vapor más grandes del mundo se encuentran las turbinas de vapor Arabelle fabricadas por GE basadas en un diseño original de Alstom . [4] Una turbina Arabelle tiene 7 m de diámetro, pesa 4000 toneladas y gira a 1500 rpm. En una instalación nuclear típica, se requieren otras 4000 toneladas de estructura de acero de soporte, así como 1000 toneladas de bombas, válvulas y tuberías. [4]
Las preocupaciones técnicas incluyen el desequilibrio del rotor , la vibración , el desgaste de los cojinetes y la expansión desigual (varias formas de choque térmico ). En instalaciones grandes, incluso la turbina más robusta es capaz de romperse cuando se opera fuera de ajuste.
El primer dispositivo que puede clasificarse como una turbina de vapor de reacción fue poco más que un juguete, el clásico Aeolipile , descrito en el siglo I por Héroe de Alejandría en el Egipto romano . [5] [6] 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) [7] y John Wilkins en Inglaterra (1648). [8] [9] Los dispositivos descritos por Taqi al-Din y Wilkins se conocen hoy como gatos de vapor.. En 1672 , Ferdinand Verbiest diseñó un automóvil impulsado por una turbina 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. [10] En 1807, Polikarp Zalesov diseñó y construyó una turbina de impulso, usándola para la operación de la bomba contra incendios. [11] En 1827, los franceses Real y Pichon patentaron y construyeron una turbina de impulso compuesto. [12]
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. [13] La invención de la turbina de vapor de Parsons hizo posible la electricidad barata y abundante y revolucionó el transporte marítimo y la guerra naval. [14] 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 ser 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 aumentó desde sus primeros 7,5 kilovatios (10,1 hp) hasta unidades de 50.000 kilovatios (67.000 hp) de capacidad. Durante la vida de Parsons, la capacidad de generación de una unidad se multiplicó por unas 10 000, [15] y la producción total de los turbogeneradores construidos por su empresa CA Parsons and Company y sus licenciatarios, solo con fines terrestres, había excedido treinta millones de caballos de fuerza. [13]