Una turbina de vapor es una turbomáquina motora, que transforma la energía de un flujo de vapor en energía mecánica a través de un intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido de trabajo (entiéndase el vapor) y el rodete, órgano principal de la turbina, que cuenta con palas o álabes los cuales tienen una forma particular para poder realizar el intercambio energético.
Primeras turbinas de vapor:
Históricamente, las primera turbina de vapor de la que se tiene constancia fue construida por Herón de Alejandría alrededor del año 175 A. C., la cual consistía en un esfera metálica con dos toberas en sus polos y orientadas en el mismo sentido por donde escapaba el vapor. La esfera giraba diametralmente, apoyada sobre la caldera por los conductos de entrada del vapor.
Hasta 1629 no se tiene constancia de un nuevo diseño independiente de una turbina de vapor, Giovanni Brance utilizo un chorro de vapor para impulsar el giro de una rueda de molino de agua, aunque no logro aplicarlo a ningún uso industrial útil.
La primera aplicación industrial para una turbina de vapor fue patentada en Suecia por De Laval en 1878 y consistía en una maquina centrifuga desnatadora que revolucionó la producción de leche, impulsada por vapor.
El último impulso para la utilización de las turbinas de vapor con fines industriales y comerciales lo dio Charles Algernon Parsons en 1884, con el diseño y construcción de una turbina de vapor de alta velocidad que podía a alcanzar hasta 18.000 rpm. A principios del siglo veinte la mayoría de barcos modernos eran ya equipados con este tipo de motor.
Tipos de turbinas de vapor:
La clasificación de las turbinas de vapor puede hacerse según la forma de aprovechamiento de la energía contenida en el flujo de vapor (reacción o acción), según el número de etapas (multietapa o monoetapa), según la dirección del flujo de vapor (axiales o radiales), si existe o no extracción de vapor antes de llegar al escape y por último por la presión de salida del vapor (contrapresión, escape libre o condensación).
-Turbina de vapor de reacción : En la turbina de reaccion la energia mecanica se obtiene de la aceleracion del vapor en expansion. Las turbinas de este tipo cuentan con dos grupos de palas, unas moviles y las otras fijas. Las palas fijas estan colocadas de forma que cada par actua como una boquilla a traves de la cual pasa el vapor mientras se expande, llegando a las palas de las turbinas de reaccion, que se montan en un tambor que actua como eje de la turbina.
En la turbina de reaccion se produce un escalonamiento de velocidad. Este escalonamiento consiste en producir una gran caida de presion en un grupo de toberas y utilizar la velocidad resultante del vapor en tantos grupos de alabes como sea necesario mediante un juego de enderezadores reorientando el vapor de salida d ela primera etapa para que entre en un segundo rodete.
-Turbina de vapor de acción: Una turbina de vapor de acción con un escalonamiento de velocidad consta fundamentalmente de:
-Un distribuidor fijo, compuesto por una o varias toberas, cuya misión es transformar la energía térmica del vapor puesta a su disposición, total (acción), o parcialmente (reacción), en energía cinética.
-Una corona móvil, fija sobre un eje, cuyos álabes situados en la periferia tienen por objeto transformar enenergía mecánica de rotación, la energía cinética puesta a su disposición.
Su funcionamiento consiste en impulsar el vapor a traves de las toberas fijas hasta alcanzar las palas, que absorben una parte de la energia cinetica del vapor en expansion, lo que hace girar el rotor y con ella el eje al que esta unida.Las turbinas de accion habituales tienen varias etapas, en las que la presion va disminuyendo de forma escalonada en cada una de ellas.
-Turbina monoetapa: Se utilizan para turbinas de hasta 2 MW de potencia, al ser de mas simple construcción son las mas robustas y seguras, además de acarrear menores costes de instalación y mantenimiento que las multietapa.
-Turbina multietapa: El objetivo de los escalonamientos en la turbina de vapor es disminuir la velocidad del rodete conservando una velocidad de los alabes próxima al valor optimo con relación a la velocidad del chorro de vapor. Si tenemos una presión de vapor muy elevada sin las etapas necesarias, seria necesario que la turbina girase a una velocidad muy alta, que no sería viable mecánicamente por las dimensiones que debería tener el reductor (caja de engranajes que ajustaría la velocidad final del eje a la deseada)
-Turbina de flujo axial: Es el método mas utilizado, el paso de vapor se realiza siguiendo un cono que tiene el mismo eje que la turbina.
-Turbina de flujo radial: El paso de vapor se realiza siguiendo todas las direcciones perpendiculares al eje de la turbina.
-Turbina con extracción de vapor: Se realiza en etapas de alta presión, enviando parte del vapor de vuelta a la caldera para sobrecalentarlo y reenviarlo a etapas intermedias. En algunas ocasiones el vapor también puede ser extraído de alguna etapa para derivarlo a otros procesos industriales.
-Turbina de contrapresión: La presión del vapor a la salida de la turbina es superior a la atmosférica, suele estar conectado a un condensador inicial que condensa al vapor, obteniéndose agua caliente o sobrecalentada, que permite su aprovechamiento térmico posterior.
-Turbinas de condensación: El vapor sale auna presión inferior a la atmosférica, en este diseño existe un mayor aprovechamiento energético que a contrapresión, se obtiene agua de refrigeración de su condensación. Este diseño se utilizan en turbinas de gran potencia que buscan un alto rendimiento.
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El rotor:
El rotor de una turbina de acción es de acero fundido con ciertas cantidades de Niquel o cromo para darle tenacidad al rotor, y es de diámetro aproximadamente uniforme. Normalmente las ruedas donde se colocan los alabes se acoplan en caliente al rotor. También se pueden fabricar haciendo de una sola pieza forjada al rotor, maquinando las ranuras necesarias para colocar los alabes.
Los alabes se realizan de aceros inoxidables, aleaciones de cromo-hierro, con las curvaturas de diseño según los ángulos de salida de vapor y las velocidades necesarias. Son criticas las ultimas etapas por la posibilidad de existencia de partículas de agua que erosionarían a los alabes. Por ello se fija una cinta de metal satélite soldado con soldadura de plata en el borde de ataque de cada alabe para retardar la erosión.
La carcasa:
La carcasa se divide en dos partes: la parte inferior, unida a la bancada y la parte superior, desmontable para el acceso al rotor. Ambas contienen las coronas fijas de toberas o alabes fijos. Las carcasas se realizan de hierro, acero o de aleaciones de este, dependiendo de la temperatura de trabajo, obviamente las partes de la carcasa de la parte de alta presión son de materiales mas resistentes que en la parte del escape. La humedad máxima debe ser de un 10% para las últimas etapas.
Normalmente se encuentra recubierta por una manta aislante que disminuye la radiación de calor al exterior, evitando que el vapor se enfríe y pierda energía disminuyendo el rendimiento de la turbina. Esta manta aislante suele estar recubierta de una tela impermeable que evita su degradación y permite desmontarla con mayor facilidad.
Alabes:
Los alabes fijos y móviles se colocan en ranuras alrededor del rotor y carcasa. Los alabes se pueden asegurar solos o en grupos, fijándolos a 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, y los mas largos a menudo se amarran entre si con alambres o barras en uno o dos lugares intermedios, para darles rigidez.
Válvula de regulación:
Regula el caudal de entrada a la turbina, siendo de los elementos mas importantes de la turbina de vapor. Es accionada hidráulicamente con la ayuda de un grupo de presión de aceite (aceite de control) o neumáticamente. Forma parte de dos lazos de control: el lazo que controla la velocidad de la turbina y el lazo que controla la carga o potencia de la turbina.
Cojinetes de apoyo, de bancada o radiales:
Sobre ellos gira el rotor. Suelen ser de un material blando, y recubiertos de una capa lubricante que disminuya la fricción. Son elementos de desgaste, que deben ser sustituidos periódicamente, bien con una frecuencia establecida si su coste es bajo respecto de su producción, o bien por observación de su superficie y cambio cuando se encuentren en un estado deficiente.
Cojinete de empuje o axial:
El cojinete axial, o de empuje impide el desplazamiento del rotor en la dirección del eje, Evitando el empuje axial que sufre el eje por el efecto del vapor repercuta en el reductor, dañándolo seriamente. No se encuentra en contacto con el eje si no que hace tope con un disco que forma parte solidaria con el eje.
El cojinete esta construido en un material blando y recubierto por una capa de material que disminuya la fricción entre el disco y el cojinete. Además, debe encontrarse convenientemente lubricado.
Para comprobar el estado de ese cojinete, ademas de la medida de la temperatura y de las vibraciones del eje, se mide de forma constante el desplazamiento axial. Si se excede el limite permitido, el sistema de control provoca la parada de la turbina o impide que esta complete su puesta en marcha.
Sistema de lubricación:
Proporciona el fluido lubricante, generalmente aceite. Para asegurar la circulacion del aceite en todo momento el sistema suele estar equipado con tres bombas:
- Bomba mecánica principal: Esta acoplada al eje de la turbina, de forma que siempre que este girando la turbina esta girando la bomba, asegurándose así la presión de bombeo mejor que con una bomba eléctrica. No obstante, en los arranques esta bomba no da presión suficiente, por lo que es necesario que el equipo tenga al menos una bomba adicional
- Bomba auxiliar: Se utiliza exclusivamente en los arranques, y sirve para asegurar la correcta presión de aceite hasta que la bomba mecánica puede realizar este servicio. Se conecta antes del arranque de la turbina y se desconecta a unas revoluciones determinadas durante el arranque, cambiándose automáticamente de la bomba auxiliar a la bomba principal. También se conecta durante las paradas de la turbina.
- Bomba de emergencia: Si se produce un problema de suministro eléctrico en la planta, esta queda sin tensión, durante la parada habría un momento en que las turbina se quedaría sin lubricación, ya que la bomba auxiliar no tendría tensión. Para evitar este problema, las turbinas suelen ir equipadas con una bomba de emergencia que funciona con corriente continua proveniente de un sistema de baterias.
Sistema de extracción de vahos:
El deposito de aceite suele estar a presión inferior a la atmosférica para facilitar la extracción de vapores de aceite y dificultar una posible fuga de aceite al exterior. Para conseguir este vacío, el sistema de lubricación suele ir equipado con un extractor.
Sistema de refrigeración de aceite:
El aceite en su recorrido de lubricación se calienta modificando su viscosidad, y por tanto, sus características lubricantes, llegando a degradarse si el calor es excesivo. Para evitarlo, el sistema de lubricación dispone de unos intercambiadores que enfrían el aceite, estos intercambiadores pueden ser aire-aceite, de forma que el calor del aceite se evacua a la atmósfera, o agua-aceite, de forma que el calor se transfiere al circuito cerrado de refrigeración con agua de la planta.
Sistema de aceite de control:
Cuando la válvula de regulación se acciona oleohidraulicamente el conjunto de turbina va equipado con un grupo de presión para el circuito de aceite de control. Este, debe mantener la presión normalmente entre los 50 y los 200 bares de presión hidráulica. El sistema de control gobierna la válvula de salida del grupo, que hace llegar al aceite hasta la válvula de regulación de entrada de vapor con la presión adecuada.
Sistema de sellado de vapor:
Las turbinas de vapor están equipadas con sellos de carbón, que se ajustan al eje, y/o con laberintos de vapor. Con esto se consigue evitar que el vapor salga a la atmósfera y disminuyan la eficiencia térmica de la turbina.
Virador:
El sistema virador consiste en un motor eléctrico o hidráulico (normalmente el segundo) que hace girar lentamente la turbina cuando no esta en funcionamiento. Esto evita que el rotor se curve, debido a su propio peso o por expansión térmica, en parada. La velocidad de este sistema es muy baja (varios minutos para completar un giro completo de turbina), pero se vuelve esencial para asegurar la correcta rectitud del rotor. Si por alguna razón este sistema se detiene (avería del rotor, avería de la turbina, inspección interna con desmontaje) es necesario asegurar que, antes de arrancar, estará girando varias horas con el sistema virador.
Compensador:
Es el elemento de unión entre la salida de la turbina y el resto de la instalación (generalmente las tuberías que conducen al condensador o el propio condensador). Ya que la carcasa de la turbina sufre grandes cambios de temperatura, este elemento de unión es imprescindible para controlar y amortiguar el efecto de dilataciones y contracciones.