Turbina

Turbina de vapor de Siemens

Turbina és el nom genèric que es dona a la majoria de les turbomáquinas motores. Estes són màquines de decorregut, a través de les quals passa un decorregut en forma contínua i est li entrega la seua energia cinètica a través d'un rodete en paleta o àlaps.

La turbina és un motor rotatori que convertix en energia mecànica l'energia cinètica d'una corrent d'aigua, vapor d'aigua o gas. L'element bàsic de la turbina és la roda o rotor, que conta en pala, hèlices, cuchilles o gavetes colocades al voltant de la seua circumferència, de tal forma que el decorregut en moviment produïx una força tangencial que impulsa la roda i la fa girar. Esta energia mecànica es transferix a través d'un eix per a proporcionar el moviment d'una màquina, un compressor, un generador elèctric o una hèliç. Les turbines consten d'1 o 2 rodes en paleta, denominades rotor i estátor, sent la primera la que, impulsada pel decorregut, arrastra l'eix en el que s'obté el moviment de rotació. Fins al moment, la turbina és un dels motors més eficients que existixen (al voltant del 50 %) sobre els motors de combustió interna i fins a alguns elèctrics. Ya en els anys 20, uns inventors, entre ells un de llinage Thyssen, varen patentar una turbina de combustió interna a la que varen atribuir un rendiment termodinàmic del 31 %. El terme turbina sol aplicar-se també, per ser el component principal, al conjunt de vàries turbines conectades a un generador per a l'obtenció d'energia elèctrica. El terme va ser falcat en 1822 per l'ingenier de mines francés Claude Burdin del grec τύρβη, tyrbē, que significa "vórtice" o "girant", en un memoràndum, "Dones turbines hydrauliques ou machines rotatoires à gran vitesse", que va presentar en l'Académie royale dones sciences en París. Benoit Fourneyron, un antic alumne de Claude Burdin, va construir la primera turbina d'aigua pràctica.

Teoria de l'operació

Esquema de turbines d'impuls i reacció, a on el rotor és la part giratòria, i l'estator és la part estacionaria de la màquina.

Un decorregut de treball conté energia potencial (pressió de càrrega) i energia cinètica (càrrega de velocitat). El decorregut pot ser compresible o incompresible. Les turbines ampren varis principis físics per a recolectar esta energia:

Les turbines d'impuls canvien la direcció del fluix d'un decorregut d'alta velocitat o chorrada de gas. L'impuls resultant fa girar la turbina i deixa el fluix de decorregut en energia cinètica disminuïda. No hi ha canvi de pressió del decorregut o gas en els àlaps de la turbina (els àlaps mòvils), com en el cas d'una turbina de vapor o de gas, tota la caiguda de pressió té lloc en els àlaps estacionarios (les filtre). Abans d'aplegar a la turbina, la "càrrega de pressió" del decorregut es canvia a "càrrega de velocitat" accelerant el decorregut en una filtre. Les rodes Pelton i les turbines de Laval utilisen este procés exclusivament. Les turbines d'impuls no requerixen un marc de pressió al voltant del rotor, ya que la chorrada de decorregut ho crea la filtre abans d'aplegar a les pala del rotor. la segona llei de Newton descriu la transferència d'energia per a les turbines d'impuls. Les turbines d'impuls són més eficients per a usar en casos a on el fluix és baix i la pressió d'entrada és alta.

Les turbines de reacció desenrollen torque en reaccionar a la pressió o massa del gas o decorregut. La pressió del gas o decorregut canvia a mida que passa a través de les pala del rotor de la turbina. Es necessita un marc de pressió per a contindre el decorregut de treball a mida que actua en la(s) etapa(s) de la turbina o la turbina deu estar completament sumergida en el fluix de decorregut (com en les turbines eòliques). La carcassa conté i dirigix el decorregut de treball i, per a les turbines d'aigua, manté la succió impartida pel tubo de tir. Les turbines Francis i la majoria de les turbines de vapor utilisen este concepte. Per a decorreguts de treball comprimibles, se solen utilisar múltiples etapes de turbina per a aprofitar el gas en expansió de manera eficient. la tercera llei de Newton descriu la transferència d'energia per a les turbines de reacció. Les turbines de reacció s'adapten millor a velocitats de fluix més altes o aplicacions en les que l'altura del decorregut (pressió aigües dalt) és baixa.

En el cas de les turbines de vapor, com les que s'utilisarien per a aplicacions marines o per a la generació d'electricitat en terra, una turbina de reacció de tipo Parsons requeriria aproximadament el doble de files d'àlaps que una turbina d'impuls de tipo de Laval, per al mateix grau de conversió d'energia tèrmica. Si ben açò fa que la turbina Parsons siga molt més llarga i pesada, l'eficiència general d'una turbina de reacció és llaugerament superior a la d'una turbina d'impuls equivalent per a la mateixa conversió d'energia tèrmica. En la pràctica, els dissenys de turbines modernes utilisen conceptes de reacció i impuls en diversos graus sempre que siga possible. Les turbines eòliques utilisen un perfil aerodinàmic per a generar una sustentació de reacció a partir del decorregut en moviment i impartir-la al rotor. Les turbines eòliques també obtenen una miqueta d'energia de l'impuls del vent, desviant-ho en àngul. Les turbines en múltiples etapes poden usar àlaps de reacció o d'impuls a alta pressió. Les turbines de vapor eren tradicionalment més d'impuls, pero continuen alvançant cap a dissenys de reacció similars als utilisats en les turbines de gas. A baixa pressió, el mig decorregut operatiu s'expandix en volum per a chicotetes reduccions de pressió. En estes condicions, el àlap es convertix estrictament en un disseny de tipo de reacció en la base del àlap únicament d'impuls. La raó es deu a l'efecte de la velocitat de rotació de cada pala. A mida que aumenta el volum, aumenta l'altura del full i la base del full gira a una velocitat més llenta en relació en la punta. Este canvi en la velocitat obliga a un dissenyador a canviar d'impuls en la base a una punta d'estil de reacció alta. Els métodos clàssics de disseny de turbines es varen desenrollar a mitan d'el XIX. L'anàlisis vectorial va relacionar el fluix de decorregut en la forma i rotació de la turbina. Al principi es varen utilisar métodos de càlcul gràfic. Les fòrmules per a les dimensions bàsiques de les peces de la turbina estan ben documentades i es pot dissenyar una màquina altament eficient per a qualsevol decorregut i condició de fluix. Alguns dels càlculs són fòrmules empíriques o de "regla general", i uns atres es basen en mecànica clàssica. Com en la majoria dels càlculs d'ingenieria, es varen fer suposicions simplificadoras.

Erro al crear miniatura:

àlaps guia d'entrada de turbina d'un turborreactor

Els triànguls de velocitat es poden utilisar per a calcular el rendiment bàsic d'una etapa de turbina. El gas ix dels àlaps guia de la filtre de la turbina estacionaria a velocitat absoluta V_a1. El rotor gira a velocitat O. En relació en el rotor, la velocitat del gas quan incidix en l'entrada del rotor és V_r1. El gas és girat pel rotor i ix, en relació en el rotor, a una velocitat V_r2. No obstant, en térmens absoluts, la velocitat d'eixida del rotor és V_a2. Els triànguls de velocitat es construïxen utilisant estos diversos vectores de velocitat. Els triànguls de velocitat es poden construir en qualsevol secció a través del àlap (per eixemple: gaveta, punta, secció mija, etc.), pero generalment es mostren en el radi mig de l'etapa. El rendiment mig de l'etapa es pot calcular a partir dels triànguls de velocitat, en este radi, utilisant l'equació d'Euler:

$\Delta h=u\cdot \Delta v_w$

Por eso:

$\frac{\Delta h}{T}=\frac{u\cdot \Delta v_w}{T}$

dónde:

$\Delta h$ es la caída d'entalpía específica a través de la etapa

$T$ es la temperatura total (o d'estancamiento) d'entrada a la turbina

$u$ es la velocidad periférica del rotor de la turbina

$\Delta v_w$ es el cambio en la velocidad del torbellino

La relació de presión de la turbina es una función de $\frac{\Delta h}{T}$ i l'eficiència de la turbina. El disseny modern de turbines du els càlculs més allà. la dinàmica de decorreguts computacional prescindix de moltes de les suposicions simplificadoras utilisades per a derivar fòrmules clàssiques i el software informàtic facilita l'optimisació. Estes ferramentes han dut a millores constants en el disseny de turbines durant els últims quaranta anys. La classificació numèrica principal d'una turbina és la seua velocitat específica. Este número descriu la velocitat de la turbina en la seua màxima eficiència sobre la potència i el cabal. La velocitat específica es deriva per a que siga independent del tamany de la turbina. Donades les condicions de fluix del decorregut i la velocitat d'eixida de l'eix desijada, es pot calcular la velocitat específica i seleccionar un disseny de turbina apropiat. La velocitat específica, junt en algunes fòrmules fonamentals, es poden utilisar per a escalar de forma fiable un disseny existent de rendiment conegut a un nou tamany en el rendiment corresponent. El rendiment fora del disseny normalment es mostra com un mapa de turbina o característica. El número d'àlaps en el rotor i el número d'àlaps en l'estator solen ser dos número primo diferents per a reduir els harmònics i maximizar la freqüència de pas dels àlaps.

Classificació

Turbina Pelton de la central hidroelèctrica de Walchensee en Alemània

Les turbines poden classificar-se en dos subgrups principals: hidràuliques i tèrmiques.

Turbines hidràuliques

Artícul principal → Turbina hidràulica.

Són aquelles que el seu decorregut de treball no sofrix un canvi de densitat considerable a través del seu pas pel rodete o pel estátor; estes són generalment les turbines d'aigua, que són les més comunes, pero igual es poden catalogar com a turbines hidràuliques als molins de vent o aerogeneradores. Dins d'este gènero sol parlar-se de:

Turbines d'acció

Són aquelles que el decorregut no sofrix cap canvi de pressió a través del seu pas pel rodete. La pressió que el decorregut té a l'entrada en la turbina es reduïx fins a la pressió atmosfèrica en la corona directriu, mantenint-se constant en tot el rodete. La seua principal característica és que carixen de canonada d'aspiració. La principal turbina d'acció és la Turbina Pelton, el fluix de la qual és tangencial. Es caracterisen per tindre un número específic de revolucions baix (ns<=30). El distribuïdor en estes turbines es denomina injector.

Turbines de reacció

Són aquelles en el que el decorregut sofrix un canvi de pressió considerable en el seu pas pel rodete. El decorregut entra en el rodete en una pressió superior a l'atmosfèrica i a l'eixida d'est presenta una depressió. Es caracterisen per presentar una canonada d'aspiració, la qual unix l'eixida del rodete en la zona de descàrrega de decorregut. Estes turbines es poden dividir atenent a la configuració dels àlaps. Aixina, existixen les turbines d'àlaps fixos (Francis->Radial axial, no diagonal; Hèliç->Fluix axial) i turbines en àlaps orientables (Deriaz->Fluix diagonal; Kaplan->Fluix axial). L'ocupació d'àlaps orientables permet obtindre rendiments hidràulics majors. El ranc d'aplicació (una aproximació) de les turbines, de menor a major bot és: kaplan-francis-pelton

El número específic de revolucions és un número comú per a totes les turbines/bombes geomètricament semblants (de menor a major és: pelton-francis-kaplan). Quant major és el número específic de revolucions, tant major és el risc de cavitación de la turbina, és dir, una Turbina Kaplan té més provabilitat de que es done en ella el fenomen de la cavitación que en una Turbina Francis o una Pelton.

Turbines tèrmiques

Artícul principal → Turbina de vapor.

Són aquelles que el seu decorregut de treball sofrix un canvi de densitat considerable a través del seu pas per la màquina. Estes se solen classificar en dos subconjunts distints per les seues diferències fonamentals de disseny:

Turbines de vapor

El seu decorregut de treball pot sofrir un canvi de fase durant el seu pas pel rodete; est és el cas de les turbines a mercuri, que varen ser populars en algun moment, i el de les turbines a vapor d'aigua, que són les més comunes.

Turbines de gas

En este tipo de turbines no s'espera un canvi de fase del decorregut durant el seu pas pel rodete. També en parlar de turbines tèrmiques, sol parlar-se dels següents subgrups:

Turbines a acció

En este tipo de turbines el bot entálpico ocorre solament en el estátor, donant-se la transferència d'energia solament per acció del canvi de velocitat del decorregut.

Turbines a reacció

El bot entálpico es realisa tant en el rodete com en el estátor, o possiblement, solament en rotor. Igual de comú és classificar les turbines per la pressió existent en elles en relació en atres turbines dispostes en el mateix grup:

Turbines d'alta pressió

Són les més chicotetes d'entre totes les etapes i són les primeres per a on entra el decorregut de treball a la turbina.

Turbines de mija pressió

Turbines de baixa pressió

Són les últimes d'entre totes les etapes, són les més llargues i ya no poden ser més modelades per la descripció euleriana de les turbomáquinas etc.

Turbines eòliques

Artícul principal → Turbina eòlica.

Una turbina eòlica és un mecanisme que transforma l'energia del vent en una atra forma d'energia útil com mecànica o elèctrica. L'energia cinètica del vent és transformada en energia mecànica per mig de la rotació d'un eix. Esta energia mecànica pot ser aprofitada per a moldre, com ocorria en els antics molins de vent, o per a bombejar aigua, com en el cas del molí multipala. L'energia mecànica pot ser transformada en elèctrica per mig d'un generador elèctric (un alternador o un dinamo). L'energia elèctrica generada es pot almagasenar en bateries o utilisar-se directament.

Vore també: Aerogenerador

Turbina submarina

Una Turbina submarina és un dispositiu mecànic que convertix l'energia de les corrents submarines en energia elèctrica. Consistix en aprofitar l'energia cinètica de les corrents submarines, fixant al fondo submarí turbines montades sobre torres prefabricar per a que puguen rotar en busca de les corrents submarines. Ya que la velocitat d'estes corrents varia allarc d'un any, s'han d'ubicar en els llocs més propicis en a on la velocitat de les corrents varien entre 3 km/h i 10 km/h per a implantar centrals turbínicas preferentment en profunditats lo més someras possibles i que no danyen cap ecosistema submarí. Les turbines tindrien una malla de protecció que impediria l'absorció d'animals aquàtics.

Usos

Entrada d'aire de turbina de gas Lycoming T53

Una gran proporció de l'energia elèctrica del món és generada per turbogeneradors. Les turbines s'utilisen en motors turbines de gas en terra, mar i aire. Els turbocompressors s'utilisen en motors de pistó. Les turbines de gas tenen densitat de potència molt altes (és dir, la relació potencia/massa o potencia/volum) perque funcionen a velocitats molt altes. el motor principal del transbordador espacial usava turbobombas (màquines que consistixen en una bomba impulsada per un motor de turbina) per a alimentar els propulsors (oxigen líquit i hidrogen líquit) en la cámara del motor. La turbobomba d'hidrogen líquit és llaugerament més gran que el motor d'un automòvil (en un pes aproximat de 700 lb) i la turbina produïx casi 70 000 CV (52,2 MW). Els turboexpansors s'utilisen per a refrigeració en processos industrials.

Per a més informació

• Layton, Edwin T. "From Rule of Thumb to Scientific Engineering: James B. Francis and the Invention of the Francis Turbine," NLA Monograph Séries. Stony Brook, NY: Research Foundation of the State University of New York, 1992.

Enllaços externs

Erro al crear miniatura: Turbina en el Viccionari. Tens que especificar títul = i url = al usar {{cita web}}.. Commons

• Wikimedia Commons alberga contingut multimèdia sobre Turbina.