Turbina ( fr. turbina del lat. turbo - torbellino, rotación ) - motor , máquina de álabes , en la que la transformación [1] de energía cinética y/o energía interna del fluido de trabajo ( vapor , gas , agua ) en trabajo mecánico sobre el eje El chorro del fluido de trabajo actúa sobre las palas , fijadas alrededor de la circunferencia del rotor , y las pone en movimiento.
Se utiliza como accionamiento para un generador eléctrico en centrales térmicas, nucleares e hidroeléctricas , como parte integral de accionamientos para transporte marítimo, terrestre y aéreo, accionamiento de compresor en un motor de turbina de gas, así como transmisión hidrodinámica, hidráulica. zapatillas.
Durante mucho tiempo se han realizado intentos de crear mecanismos similares a las turbinas. Se conoce una descripción de una turbina de vapor primitiva realizada por Herón de Alejandría (siglo I d. C.). Según I. V. Linde [2] , el siglo XIX dio lugar a una “masa de proyectos” que se detuvieron ante las “dificultades materiales” de su realización. Solo a fines del siglo XIX, cuando el desarrollo de la termodinámica (aumentó la eficiencia de las turbinas para compararla con una máquina recíproca), la ingeniería mecánica y la metalurgia (aumentó la resistencia de los materiales y la precisión de fabricación necesaria para crear ruedas de alta velocidad), Gustaf Laval ( Suecia ) y Charles Parsons ( Gran Bretaña ) independientemente crearon turbinas de vapor adecuadas para la industria. [3]
La primera turbina de vapor fue creada por el inventor sueco Gustav Laval en 1883 . Según una versión, Laval lo creó para alimentar un separador de leche de su propio diseño. Para esto, se necesitaba una unidad de alta velocidad . Los motores de esa época no proporcionaban suficiente velocidad. La única salida era diseñar una turbina de alta velocidad. Laval eligió el vapor, que era ampliamente utilizado en ese momento, como fluido de trabajo. El inventor comenzó a trabajar en su diseño y finalmente armó un dispositivo funcional. En 1889, Laval complementó las toberas de turbina con expansores cónicos, y así apareció la famosa tobera Laval , que se convirtió en la progenitora de las futuras toberas de cohetes. La turbina Laval fue un gran avance en la ingeniería. Basta imaginar las cargas que experimentó el impulsor en él para comprender lo difícil que fue para el inventor lograr un funcionamiento estable de la turbina. A grandes velocidades de la rueda de la turbina, incluso un ligero cambio en el centro de gravedad provocaba graves vibraciones y sobrecargas en los cojinetes . Para evitar esto, Laval usó un eje delgado que podía flexionarse cuando giraba.
En 1884, el ingeniero inglés Charles Parsons recibió una patente para una turbina de etapas múltiples. La turbina fue diseñada para impulsar un generador eléctrico. En 1885, desarrolló una versión mejorada que fue ampliamente utilizada en centrales eléctricas. En el diseño de la turbina se utilizó un aparato nivelador, que es un conjunto de llantas (discos) fijas con álabes que tenían sentido contrario. La turbina tenía tres etapas de diferentes presiones con diferente geometría y paso de pala. Así, la turbina utilizó tanto el principio " activo " como el " reactivo ".
En 1889, unas trescientas de estas turbinas se utilizaron para generar electricidad. Parsons trató de ampliar el alcance de su invento y en 1894 construyó un buque experimental " Turbinia " impulsado por una turbina de vapor. En las pruebas, demostró una velocidad récord de 60 km/h.
La imposibilidad de obtener una gran potencia agregada y la altísima velocidad de rotación de las turbinas de vapor Laval de una etapa (hasta 30.000 rpm para las primeras muestras) hizo que conservaran su importancia solo para accionar mecanismos auxiliares. Las turbinas de vapor activo han evolucionado en la dirección de crear diseños de varias etapas, en los que la expansión del vapor se lleva a cabo en varias etapas ordenadas secuencialmente. Esto permitió aumentar significativamente la potencia de la unidad, manteniendo una velocidad de rotación moderada necesaria para la conexión directa del eje de la turbina con el mecanismo que gira.
La turbina de chorro de vapor Parsons se usó durante algún tiempo (principalmente en buques de guerra), pero gradualmente dio paso a turbinas de chorro activo combinadas más compactas, en las que la parte del chorro de alta presión fue reemplazada por un disco activo de corona simple o doble. Como resultado, las pérdidas debidas a la fuga de vapor a través de los espacios en el aparato de paletas han disminuido, la turbina se ha vuelto más simple y económica.
La etapa de turbina consta de dos partes principales. Impulsor: palas montadas en el rotor (la parte móvil de la turbina), que crea directamente la rotación. Y el aparato de toberas : palas montadas en el estator (la parte fija de la turbina), que giran el fluido de trabajo para dar al flujo el ángulo de ataque requerido con respecto a las palas del impulsor.
Según el sentido del movimiento del flujo del fluido de trabajo , se distinguen turbinas de vapor axiales , en las que el flujo del fluido de trabajo se mueve a lo largo del eje de la turbina, y radiales , la dirección del flujo del fluido de trabajo en el que es perpendicular al eje del eje de la turbina. Las turbinas centrífugas (turbocompresores) también se distinguen como un tipo separado de turbina.
Según el número de circuitos, las turbinas se dividen en de un solo circuito, de doble circuito y de tres circuitos. Muy raramente, las turbinas pueden tener cuatro o cinco circuitos. Una turbina de circuito múltiple permite utilizar grandes diferencias de entalpía térmica al acomodar una gran cantidad de etapas de presión diferentes.
Según el número de ejes, se distinguen entre un solo eje, dos ejes, menos a menudo tres ejes, conectados por un proceso térmico común o un engranaje común ( caja de cambios ). La disposición de los ejes puede ser tanto coaxial como paralela con disposición independiente de los ejes de los ejes.
En los lugares donde el eje atraviesa las paredes de la carcasa, se instalan sellos de extremo para evitar la fuga del fluido de trabajo hacia el exterior y la succión de aire en la carcasa.
En el extremo delantero del eje, se instala un regulador centrífugo limitador (regulador de seguridad), que automáticamente detiene (ralentiza) la turbina cuando la velocidad aumenta en un 10-12% por encima del valor nominal.