Turbinas a vapor

Turbina de vapor, la revolución de la energía

Por: Mou D. Khamlichi
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La turbina de vapor es un invento que revolucionó al mundo por su forma de obtener la energía. La capacidad de invención ha estado presente desde el comienzo de  la raza humana. Científicos que, en su afán por alcanzar la perfección, crearon inventos que hacen que lo imposible, sea totalmente posible.

Como muchos de los inventos, este instrumento tuvo a varias personas colaborando en su invención y perfeccionamiento. También existen distintas clasificaciones y usos para ellas. Te mostraremos todo lo que necesitas saber sobre el funcionamiento, historia y utilidad actual de estas ingeniosas maquinas.

¿Qué se conoce como turbina de vapor?

La turbina de vapor es un motor rotatorio impulsado por vapor; este se encarga de generar energía por conversión de presión del vapor ubicado en un eje de rotación del motor.

En palabras más directas, cumple con la función de emplear la fuerza potencial del vapor y convertirla en energía mecánica. Este invento cambió para siempre la forma de obtener la energía para provecho del hombre.

Las turbinas de vapor realizan su trabajo en diversos grados de potencia. Entre estos, cabe resaltar el ciclo “Rankine”, usado por grandes centrales termoeléctricas. La energía mecánica generada a partir del vapor y la turbina, desembocan en un generador, para finalmente producir electricidad.

Albores de la turbina de vapor

Contrario a lo que se podría pensar, la turbina de vapor tiene una larga historia, su origen es de tiempos tempranos. El primer nombre que aparece en relación con este invento es “Heron”. Este egipcio fue el primero en sentar las bases de una turbina rudimentaria, aproximadamente en el año 175 aE.C.

El hábil ingeniero utilizó una esfera metálica llena de agua y dos tubos conectados a una fuente de fuego. Estaba diseñada de modo que la esfera daba vueltas posada sobre la fuente caliente. De la esfera salía vapor una vez que el agua dentro de ella alcanzaba cierto nivel de temperatura. Fue bautizada como la fuente de Herón o eolípila.

El siguiente avance destacado en turbinas lo rastreamos a mediados del año 1629. Del patrocinio del hábil ingeniero y arquitecto italiano Giovanni Branca; creó su proyecto para lo que se parecía una turbina de vapor. Su sencilla máquina utilizaba vapor para darle impulso a una rueda de molino.

Aunque se le utilizó para diversas actividades en su época, no es considerada como un gran avance en turbinas. Y, aunque nunca logró darle una aplicación industrial, esta máquina tiene un lugar en la historia y es reconocida como la máquina en vapor de Branca.

Las primeras patentes de motobombas

Si hablamos de la injerencia de la turbina de vapor a nivel de industria debemos ir hasta el año 1878. Año del primer registro de patente de turbinas con utilidad industrial en Suecia.

Un sueco llamado DeLaval, presentó su patente haciendo uso de una centrífuga aplicada a desnatar la leche. Este revolucionario invento mejoró la producción de leche y subproductos de ella; y más allá de eso, nos ha alcanzado hasta nuestros días. Pues el sistema de DeLaval sigue siendo útil incluso en el campo espacial.

Carl Gustav Patrick de Laval turbina de vapor

Charles Algernon Parsons fue quien realmente llevó a la turbina de vapor a la industria como tal. Su patente fue combinada con una máquina Dinamo capaz de generar 7.5 kW de potencia, y podía alcanzar velocidades de hasta 18000 rpm. Su concepto y perspectiva sobre esta clase de turbinas, aún sigue vigente.

Junto a Auguste Rateau, perfeccionó cada pequeño detalle del diseño original. Ahora, contaba con una turbina que reduce la presión en las cuchillas del estator. Gracias a sus mejoras, este novedoso invento incrementó su tasa de rendimiento considerablemente. Este invento hizo posible el acceso a energía barata y constante.

Ingeniosos modelos de turbina de vapor

Debido a la genialidad de la novedosa turbina de vapor en usos industriales, se le ha dado usos bastante importantes. Un ejemplo de esto es su función en los motores de barcos, quienes necesitan de mucha potencia para cumplir con su objetivo.

Los primeros rastros del uso de estas turbinas aparecen fechados en el año 1895. Fueron usadas en el motor de un barco y, era precisamente, una turbina Parsons. En la actualidad, se puede hallar evidencia de esta maquinaria en turbinas con mecanismo de vapor, diseñadas para aviones. 

A pesar de tener múltiples usos y aplicaciones, las turbinas cumplen con un rol fundamental para la generación de nueva energía eléctrica. El acelerado aumento en el consumo de este tipo de energía les confiere gran utilidad a estas turbomáquinas.

No nos queda la menor duda de que estas máquinas son primordiales para solventar dicha demanda. Alrededor de un 75% de la energía eléctrica que es consumida, es producida por turbinas de vaporactualmente. Aunque en realidad el proceso de producir esta electricidad es algo ineficaz; solamente una tercera porción de la energía de emanación de gas es convertida en electricidad.

¿Cómo funcionan estas turbinas?

La faena de una turbina de vapor se funda en principios simples, un buen ejemplo para explicarlo fácilmente es lo que ocurre en una olla a presión. En una paila o fuente se genera el vapor al hervir H2O. El combustible para hacer que hierva puede ser petróleo, o en caso de instalaciones eléctricas, uranio.

El gas producido, es tratado a altos grados de temperatura y elevados niveles de presión. Luego, por medio de cañones dentro de la turbomáquina, llamados “toberas” el vapor producido anteriormente en la caldera se transporta y golpea contra las palas. Haciendo girar el tronco central de la turbina, comúnmente llamado “rotor”.

Finalmente, la energía química utilizada para hacer hervir H2O dentro de la caldera, sufre su transformación a energía mecánica. Ahora bien, si este rotor es combinado con un generador de electricidad, al hacer que se mueva, producirá energía eléctrica. 

Clasificación actual de las turbinas de vapor

Siguiendo el patrón de las diferentes turbinas, la clasificación de las de vapor, varía en base a ciertos parámetros.

Según la manera en que rinde la energía almacenada:

  • Reacción
  • Acción

De acuerdo con el número de ciclos o etapas de trabajo:

  • Etapa única
  • Múltiples etapas

Según la orientación del flujo de vapores:

  • Axial
  • Radial

También puede clasificarse tomando en cuenta la extracción del vapor momentos antes del escape y, por la presión de salida de este. Es decir, contrapresión, licuación o libre escape. Como ya hemos notado, la clasificación de las turbomáquinas de vapor es intrínseca a la naturaleza de cada una.

Características de las turbinas de vapor de acción y reacción

La turbina de acción cuenta fundamentalmente con un distribuidor o inyector fijo y una corona o rodete móvil. El inyector, en ocasiones puede ser una o múltiples toberas.

Su faena logra la conversión del vapor en energía cinética. Por otra parte, la corona movible está encargada de llevar la energía propulsora obtenida, hasta  energía de trabajo de rotación.

En el caso de las turbomáquinas de reacción, la rotación se consigue por la fuerza de trabajo de la aceleración del vapor en su estado de expansión. Esta clase de turbina de vapor cuenta con otros accesorios como, álabes fijos y movibles. Estas aspas o álabes están diseñadas para cumplir una función de reducto que transporta el vapor mientras se expande.

Estas aspas o palas van ensambladas a un tambor o del eje de la turbina. Es relevante destacar que se le llama “grado de reacción” al fragmento de la dispersión lograda, en relación con la dispersión real de energía.

Funcionamiento de las turbinas en monoetapa y en multietapa

Las turbomáquinas de vapor que hacen su trabajo en una sola fase son utilizadas  donde otras no llegan, por su poder, hasta los impresionantes 2 MW de potencia. Se consideran como las más espaciosas, seguras y prácticas, por un diseño sencillo. Lo que también las hace económicas al tener un coste de instalación y mantenimiento reducidos.

Las turbinas en vapor multietapa, no son más que turbinas conectadas, lo cual les confiere un gran rendimiento. También pueden lidiar sin ningún tipo de problemas con flujos de vapor a mayor presión. Lo que les permite ser utilizadas en faenas que requieren de alta potencia.

Turbinas a vapor

Distinción de las turbinas según la presión

Cuando en las turbomáquinas el funcionamiento genera un vapor a presión más baja que la atmosférica, se habla de turbinas a vapor de baja presión. Estas también son conocidas como turbinas de condensación.

Se les conoce con ese nombre porque a partir del vapor condensado se logra obtener agua de refrigeración. Esta característica les infiere un rendimiento menor que otras, dentro de su clasificación.

En el extremo opuesto de esta clasificación nos encontramos con turbinas de vapor de contrapresión. Contrario a las de baja presión, en estos dispositivos la eyección de salida del vapor es superior a 101 325 Pascales. Generalmente se conecta a un artefacto inicial que, licúa el vapor, de esta manera, se obtiene agua caliente para su aprovechamiento posterior.

Otras turbomáquinas de vapor utilizan mecanismo de extracción, diseñadas para llevar el vapor de nuevo a la fuente de calor para sobrecalentarlo. La emanación resultante puede ser utilizada en otros procesos mediante su extracción en alguna de las diferentes etapas.

Turbinas de vapor en función a la dirección del flujo

De todos los modelos mencionados, este es el más popular y sencillo. Consiste en abrir paso al vapor mediante una especie de cono que mantiene el mismo eje que la turbina. Es la turbomáquina conocida como turbina de vapor de flujo axial.

La turbina en vapor de flujo radial, podría decirse que es la contraparte del flujo axial. Pues el vapor se abre paso rastreando y siguiendo todas las diferentes direcciones que se encuentran en ángulo de 90° respecto al  tronco o eje de la turbina en vapor.

Componentes internos de la turbina de vapor

Generalmente, las turbinas de vapor están compuestas por varios elementos, pero cuenta con  3 principales:

  1. El cuerpo o tronco del rotor (contiene las coronas giratorias de alabes)
  2. La carcasa (contiene las coronas fijas de toberas)
  3. Alabes

Además de estos principales, podemos encontrar otros como: el sistema de lubricaciones, de extracción de vapores, válvula de regulación y muchos otros. Todo depende del uso para el cual sea diseñada.

El rotor o tronco de la turbina

Es la pieza primaria para darle soporte a la turbina, este es un componente  generalmente construido en acero. Viene a representar el esqueleto de la turbomáquina, en base al cual se colocan muchas otras piezas y sistemas.

Aparte del acero utilizado en su desarrollo, también agregan plomo o níquel para darle más tenacidad.

Álabe o pala

Las palas, sean fijas o móviles, van ubicadas en el cuerpo del rotor y la carcasa.  Se pueden alinear en grupo o solas y, su función es guiar o transportar el vapor desde un punto A al otro punto B.

Estos son cruciales para el buen desempaño de estas máquinas, por lo que se le debe prestar atención de vez en cuando y enmendar algún deterioro. 

Carcasa

Si hablamos de un buen funcionamiento, sin duda alguna, la carcasa cumple una misión vital. Viene a representar la piel aislante de la turbina, que reduce la dispersión del calor.

Frena el proceso de enfriamiento del vapor y la consecuente pérdida de potencia. Ciertamente, juega un rol fundamental para que la turbina en vapor cumpla su objetivo.

Sistemas auxiliares para el funcionamiento de una turbina de vapor

Los siguientes son los sistemas auxiliares que contribuyen al buen funcionamiento de la turbina en vapor.

Válvula de regulación

Como su nombre lo indica, es la encargada de regular el flujo de entrada a la turbina. Ésta, es puesta en acción hidráulicamente mediante el uso de un grupo de presión de aceites. Al mismo tiempo, cumple con dos funciones distintas, participa en el control de la turbina al igual que la potencia de esta.

Cojinete axial

Este componente interno de la turbina en vapores el encargado de evitar el desplazamiento del rotor en dirección al eje. Este cojinete axial no se encuentra en contacto con el eje, al contrario, forma parte de un equipo junto con un disco que, a su vez, forma parte del eje.

Cojinetes radiales

Generalmente están recubiertos con alguna capa lubricante para reducir la fricción, son de material blando y de desgaste, deben sustituirse periódicamente. Sobre la ubicación de estos cojinetes, es donde gira el rotor.

Se puede realizar la sustitución de estos elementos mediante la observación de algún mal aspecto o si comienza a presentar fallas evidentes.

Sistemas diseñados para la extracción y sellado de vapor

Para el correcto funcionamiento de estas máquinas se han creado ciertos sistemas.

Sistema de extracción de vapor

Las turbomáquinas cuentan con sistemas variados, uno de ellos es el de extracto de vaho. La importancia de este mecanismo es la extracción de vapores de aceites, con la consecuencia positiva que evita fugas de aceite al exterior.

El depósito de aceite suele mantenerse a presiones inferiores a la atmosférica; el buen funcionamiento del sistema de extracción garantiza la presión ideal en el depósito. 

Sistema de sellado de vapor

Gracias a que estas máquinas  están reforzadas con precintos de carbón, vienen adheridos a la pieza central. En las estructuras del rotor que sobresale de la carcasa, son necesarios estos sellos, ya que en el lateral donde hay mayor presión controla las fugas.

Y, en el lado donde la presión es menor, logra frenar la pérdida de vacío en el condensador, por el aire que ingresa del exterior. Es necesario que las superficies donde van los sellos sean lisas, trabajadas con un esmeril.

La materia para elaborar las empacaduras o sellos debe ser resistente a altas temperaturas, ni que sea demasiado duro ni quebradizo.

Turbinas a vapor

La importancia del mecanismo de lubricación

El sistema de lubricación es uno de los dispositivos a los que dar atención para asegurar una larga vida a las turbinas. Asegura un fluido constante y exacto de lubricante, asegurando que la turbomáquina no trabaje forzada.

Las turbinas de vapor vienen equipadas con diferentes mecanismos de engrase, con anillo y a presión. Generalmente constan de tres componentes:

  • Dispositivo mecánico principal
  • Bomba auxiliar
  • Unidad de emergencia

Sistema de regulación de aceite y refrigeración

Este importante mecanismo de regulación de las turbomáquinas es el encargado de controlar la válvula de salida. Su función es mantener una presión constante de 50 a 200 bares de presión hidráulica, cuando la llave de regulación sea accionada.

El aceite utilizado como lubricador se puede llegar a calentar durante todo el proceso y, esto es algo que altera sus características de lubricador. Si el calor se aventaja, entonces este aceite modifica su viscosidad y no cumple con las funciones que debería cumplir.

Es por esto que, el mecanismo de lubricación cuenta a su vez con este sistema de refrigeración del aceite; para mantener un correcto elemento de lubricación y, en perfecto estado.

Mecanismos internos para el resguardo de la turbina

Las turbomáquinas generalmente realizan faenas de gran envergadura. Sometidas a largas jornadas de trabajo intenso, requieren de controles especiales; con el fin de que no solo garanticen un trabajo óptimo, sino que alarguen la vida útil de estas poderosas máquinas.

Por la naturaleza de sus funciones, la turbina de vapor está sometida a vibraciones, velocidades excesivas, giros, presión, y alto impacto en los calentadores. Todo esto hace necesario que estos dispositivos cuenten con mecanismos internos para evitar daños.

Uno de estos dispositivos a destacar son las válvulas o llaves de seguridad:

  • Válvula o llave centinela
  • Llave o válvula de relevo

La llave centinela tiene como función activar una alarma para advertir inconsistencias relacionadas con la presión en la carcasa de la turbina; anunciando que algo anda mal en la actividad de ella.

La segunda válvula tiene como objeto proteger el armazón de la turbina. Su tamaño controla el volumen tope de vapor que pasa por la máquina. De modo que  la presión no se eleve por encima de los valores normales.

Un equipo de confianza y larga vida

Las turbinas de vapor son artefactos de máxima durabilidad y resistencia. Con el cuidado y vigilancia adecuados es muy probable que su línea de vida sea de muchos años. Fue y sigue siendo un dispositivo destinado a mejorar la actividad humana y, significa una inmensa ayuda para cubrir la gran demanda eléctrica. 

Por otra parte, y, como en casi todos los equipos importantes, existen distintas normas o consejos para el correcto uso de la turbina de vapor.

  • Siempre tener en cuenta las características físicas – químicas del vapor pues estas deben ser las correctas.
  • Hacer uso correcto de las instrucciones para operar en arranque, en la marcha y en los descansos de la turbina. Esto asegurará un funcionamiento correcto y longevo.
  • Mantenimiento correcto, como todo equipo pesado, sus faenas largas y poderosas, exigen el mantenimiento equivalente.
  • En ninguna circunstancia exigir de más a la máquina, especialmente si presenta alguna falla menor o considerable.
  • Estar muy atento a vibraciones y demás síntomas de funcionamiento de la turbina.

La turbina de vapor y su utilidad actual

Sin ningún tipo de duda, las turbinas de vapor significaron un impulso a la revolución industrial. Además, dieron paso a nuevos inventos y funcionamientos dentro del exigente mundo de la ingeniería. Hoy siguen siendo tan útiles como en sus inicios.

La turbina de vapor, actualmente es usada en casi toda las industrias, grandes y pequeñas. Productores independientes y grandes transnacionales hacen uso de este maravilloso invento. Las centrales termoeléctricas no son las únicas que se benefician de ellas, también se emplean estos dispositivos en:

En realidad, la lista es interminable, la turbina de vapor tiene infinidad de campos de aplicación. Y no sorprende, pues sus ventajas son extensas como su utilidad. Su estructura compacta y fuerte le confieren alto rendimiento y eficacia, esto aunado a la sencillez de su funcionamiento la hacen la turbomáquina ideal.

Lo cierto es que este sencillo y útil invento es la combinación de la inteligencia humana y las fuerzas físicas que están en el universo. El ingenio humano no tiene límites, seguirá aplicando su inteligencia a lo que ya está creado, a las fuerzas que rigen el mundo. Seguramente veremos cada día más y mejores modelos de turbinas de vapor.

Referencias:

www.energiza.org/anteriores/energizadiciembre2011.pdf

www.renovetec.com/590-mantenimiento-industrial/110-mantenimiento-industrial/306-partes-de-una-turbina-de-vapor

https://cumbrepuebloscop20.org/energias/nuclear/turbina-vapor/

www.renovetec.com/tiposturbinasvapor.html#:~:text=La%20clasificaci%C3%B3n%20de%20las%20turbinas,de%20vapor%20antes%20de%20llegar

www.cicloscombinados.com/turbinavapor.html

www.plantasdecogeneracion.com/principaleselementosturbinasvapor.html

www.thermal-engineering.org/es/que-es-la-turbina-de-extraccion-turbina-con-extraccion-de-vapor-definicion/

http://jecortesl.blogspot.com/2014/10/toberas-y-alabes-tobera-una-tobera-un.html?m=1

https://solar-energia.net/blog/turbina-de-vapor


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