La turbina de vapor es un motor primario favorito en plantas generadoras de energía eléctrica. La capacidad de la turbina de vapor puede variar desde 5 megavatios hasta 2000 megavatios.
Las ventajas de una turbina de vapor sobre un motor diésel son las siguientes.
El tamaño de una turbina de vapor es mucho menor que el de un motor diésel equivalente. El tamaño de una turbina de vapor de 30 megavatios es el mismo que el de un motor diésel de 5 megavatios.
En términos de construcción, la turbina de vapor es mucho más simple que un motor diésel. El eje del rotor, las palas y la válvula de control de vapor son los tres componentes esenciales de una turbina de vapor.
Una turbina de vapor sufre menos vibraciones que un motor diésel si las partes rotativas del sistema están correctamente instaladas y alineadas.
La velocidad de una turbina de vapor puede ser mucho mayor que la de un motor diésel. La velocidad estándar de una turbina de vapor utilizada en una central eléctrica es de 3600 RPM en EE.UU. y 3000 RPM en el Reino Unido, mientras que la velocidad estándar máxima de un motor diésel utilizado para el mismo propósito es de 200 RPM.
El control de una turbina de vapor es mucho más simple que el de un motor diésel. Para este propósito se utiliza una válvula de control. La válvula se instala en la línea de entrada de vapor. Esta válvula de control regula el flujo de vapor hacia la turbina. Hay una válvula de cierre instalada antes de la válvula de control. La función de la válvula de cierre es bloquear el flujo total de vapor hacia la turbina en caso de cualquier anomalía. La válvula de cierre es una válvula de emergencia.
El vapor entra en la turbina a alta presión y temperatura. Después de realizar el trabajo deseado de hacer girar el rotor, el vapor se expulsa a una presión y temperatura mucho menores. El vapor puede entrar en la turbina a una presión y temperatura de 1800 Pa y 1000oF respectivamente, y la presión y temperatura del vapor expulsado pueden ser 1 Pa y 100oF respectivamente.
En un motor de vapor alternativo, el vapor a presión actúa sobre el pistón causando un movimiento mecánico del pistón. Idealmente, no se utiliza ninguna acción dinámica del vapor en un sistema alternativo. Pero en el caso de una turbina de vapor, se utiliza principalmente la acción dinámica del vapor repentinamente expandido para realizar trabajo mecánico.
En una turbina de vapor, el vapor se expande en las toberas y por lo tanto gana energía cinética y pierde presión. El vapor obtiene energía cinética durante su expansión a partir de su entalpía interna. Las palas de la turbina obstaculizan el momento del vapor, forzándolo a cambiar su dirección de flujo. En otras palabras, el momento del vapor causa una fuerza sobre las palas de la turbina. Podemos decir que el momento del vapor en expansión es la fuerza motriz de una turbina de vapor.
La expansión del vapor y el cambio de dirección del momento pueden ocurrir una vez en una etapa única o varias veces en diversas etapas, dependiendo del tipo de turbina.
Cuando hay solo una disposición para la expansión del vapor en una turbina y la presión del vapor permanece uniforme durante todo el proceso después de que se expande a través de las toberas, la turbina se llama turbina de impulso de una sola etapa. En la turbina de impulso, el vapor a alta presión y alta temperatura que sale de la cabeza de la tobera se expande y forma un chorro de vapor que impacta directamente en las palas móviles, causando la rotación del rotor de la turbina.
Existe otro tipo de turbina en la que el vapor se expande durante todo el proceso. Aquí, la expansión del vapor ocurre cuando pasa a través de las palas de la turbina. Durante la expansión, la entalpía del vapor se convierte en energía cinética y, por lo tanto, el rotor de la turbina gira con acción propulsora.
Este tipo de turbina se conoce como turbina de reacción. En este tipo de turbinas, hay dos conjuntos de palas. Un conjunto es de palas fijas unidas a las partes estacionarias de la turbina y el otro conjunto es de palas móviles unidas al rotor de la turbina. La expansión del vapor ocurre en el espacio formado por las palas fijas y móviles.
Normalmente, una turbina práctica tiene dos componentes importantes: toberas y palas. La tobera es un dispositivo instalado en la entrada de vapor de la turbina. El vapor a alta temperatura y alta presión, con energía cinética despreciable, se expande, pierde presión y, por lo tanto, adquiere suficiente energía cinética para realizar trabajo mecánico con la ayuda de las toberas.
Las palas de las turbinas también se conocen como deflectores. Esto es porque el vapor dinámico se desvía cuando golpea las palas. La energía mecánica del vapor en expansión se extrae en las palas de la turbina.
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