Turbina de vapor

Unha turbina de vapor é unha turbomáquina motora, que transforma a enerxía dun fluxo de vapor en enerxía mecánica a través dun intercambio de cantidade de movemento entre o fluído de traballo (enténdase o vapor) e a roda, órgano principal da turbina, que conta con pas ou paletas que teñen unha forma particular para poder realizar o intercambio enerxético. As turbinas de vapor están presentes en diversos ciclos de potencia que utilizan un fluído que poida cambiar de fase, entre estes o máis importante é o Ciclo Rankine, o cal xera o vapor nunha caldeira, da cal sae nunhas condicións de elevada temperatura e presión. Na turbina transfórmase a enerxía interna do vapor en enerxía mecánica que, tipicamente, é aproveitada por un xerador para producir electricidade.

Rotor dunha turbina de vapor producida por Siemens, Alemaña.

Nunha turbina pódense distinguir dous partes, o rotor e o estator. O rotor está formado por rodas de paletas unidas ao eixo e que constitúen a parte móbil da turbina. O estator tamén está formado por paletas, non unidas ao eixo senón á carcasa da turbina.

O termo turbina de vapor é moi utilizado para referirse a unha máquina motora a cal conta cun conxuntos de turbinas para transformar a enerxía do vapor, tamén ao conxunto da roda e as paletas directoras.

Clasificación

Diferenzas entre as turbinas de Acción (impluso) e reacción). Nas primeiras o estator transforma toda a enerxía de fluído en enerxía cinética

Existen as turbinas de vapor nunha gran variedade de tamaños, desde unidades de 1 hp (0.75 kW) usadas para accionar bombas, compresores e outro equipo accionado por eixos, até turbinas de 2,000,000 hp (1,500,000 kW) utilizadas para xerar electricidade. Hai diversas clasificacións para as turbinas de vapor modernas, e por ser turbomáquinas son susceptíbeis aos mesmos criterios de clasificación destas. Doutra banda, é común clasificalas de acordo ao seu grao de reacción:

• Turbinas de Acción: O cambio ou salto entálpico ou expansión é realizada nas paletas directoras ou nas toberas de inxección se se trata da primeira etapa dun conxunto de turbinas, estes elementos están suxeitos ao estator. No paso do vapor polo rotor a presión manterase constante e haberá unha redución da velocidade.
• Turbinas de Reacción: A expansión, é dicir, o salto entálpico do vapor pode realizarse tanto no rotor como no estator, cando este salto ocorre unicamente no rotor a turbina coñécese como de reacción pura.

Principio de Funcionamento

A ecuación xeral das turbomáquinas foi achada por Euler e a súa demostración atópase no artigo de turbomáquinas. A forma para o traballo por unidade de masa que atravesa o rotor das turbomáquinas motoras axiais é: $L=u[c_{1}\cos(\alpha _{1})-c_{2}\cos(\alpha _{2})]$

onde $u$ é a velocidade periférica ou velocidade lineal do rotor, $c_{1}$ e $c_{2}$ son as velocidades absolutas do fluído de traballo antes e despois de pasar polo rotor respectivamente, $\alpha _{1}$ e $\alpha _{2}$ son os ángulos entre a velocidade absoluta e a velocidade periférica antes e despois de pasar polo rotor. Se chamamos velocidade relativa ${\vec {w}}$, á velocidade do fluído respecto á roda, e definimos o ángulo $\beta$ como aquel que existe entre a velocidade periférica e ${\vec {w}}$ podemos reescribir a ecuación anterior, por propiedades do triángulo como:

$L={\frac {{c_{1}}^{2}-{c_{2}}^{2}}{2}}+{\frac {{w_{2}}^{2}-{w_{1}}^{2}}{2}}$

Agora escribamos a primeira lei da termodinámica para un balance de enerxía do fluído de traballo no paso polo rotor, supoñendo que este é un proceso adiabático:

$L=\Delta h+{\frac {{c_{1}}^{2}}{2}}-{\frac {{c_{2}}^{2}}{2}}$

Consideramos que $L$ é definido positivo.

${\frac {{c_{1}}^{2}-{c_{2}}^{2}}{2}}+{\frac {{w_{2}}^{2}-{w_{1}}^{2}}{2}}=\Delta h+{\frac {{c_{1}}^{2}}{2}}-{\frac {{c_{2}}^{2}}{2}}$

Encontramos así que o cambio entálpico é igual ao cambio dos cadrados da velocidade relativa:

$\Delta h={\frac {{w_{2}}^{2}-{w_{1}}^{2}}{2}}$

Abastecemento de vapor e condicións de escape

Estas categorías inclúen turbinas condensadoras, non condensadoras, de requecemento, extracción e indución.

As turbinas de non condensación ou de contrapresión son máis amplamente usadas para aplicacións de vapor en procesos. A presión de saída é controlada por unha válvula reguladora para satisfacer as necesidades de presión no vapor do proceso. Atópanse comunmente en refinerías, plantas de papel e polpa e en instalacións de desalinización, onde se dispón de grandes cantidades de vapor de proceso a baixa presión.

As turbinas condensadoras atópanse comunmente en plantas de potencia eléctrica. Estas turbinas expelen vapor en estado parcialmente saturado, xeralmente cun título de vapor maior ao 90 % (para evitar problemas de corrosión das palas), a unha presión bastante inferior á atmosférica cara a un condensador.

As turbinas de requecemento tamén son usadas case exclusivamente en plantas de potencia eléctrica. Nunha turbina de requecemento, o fluxo de vapor sae dunha sección a alta presión da turbina e é regresado á caldeira onde se lle volve a sobrequentar. Entón, o vapor regresa a unha sección de presión intermedia da turbina e continúa a súa expansión.

As turbinas de extracción atópanse en todo tipo de aplicacións. Nunha turbina de extracción, o vapor é liberado en diversas etapas e aproveitado en distintos procesos industriais, tamén pode ser enviado a quentadores de auga para mellorar a eficiencia do ciclo.