Hi ha tres tipus fonamentals de turbines, segons la natura del fluid emprat: les hidràuliques, les de gas i les de vapor. Les turbines hidràuliques són motors atèrmics rotatius mitjançant els quals es transfereix i es transforma l’energia potencial de l’aigua en un treball útil, com l’accionament d’un alternador, derivades de les primitives rodes hidràuliques, sobre les quals tenen els avantatges que permeten d’aconseguir un nombre molt elevat de voltes i un rendiment de fins el 96%. Poden ésser classificades, segons la direcció en què arriba l’aigua, en turbines radials (centrífugues o centrípetes), turbines axials i turbines tangencials ; segons com actua l’aigua, en turbines d’acció i de reacció, etc. Les turbines d’acció consten d’un rodet, o roda guarnida d’àleps en forma de culleres on té lloc la transferència d’energia en desviar un doll d’aigua que hi incideix a gran velocitat. El fluid entra en els àleps sense omplir-los ben bé, i la pressió d’entrada és igual que la de sortida. Les turbines de reacció són constituïdes pels tres elements següents: una corona d’àleps de regulació estàtica, per a obtenir la direcció i secció apropiades de la vena fluida, una corona d’àleps, o rodet, on té lloc la transferència d’energia de l’aigua a l’eix de la màquina, i un difusor, que transforma l’elevada energia cinètica del fluid a la sortida del rodet en energia de pressió (efecte de reacció). El fluid a la sortida del rodet té una pressió més petita que a l’entrada. Actualment hom construeix els següents tipus de turbina hidràulica: la roda Pelton , ideada per l’enginyer nord-americà Lester Allen Pelton (1829-1908), d’acció, emprada per a grans salts d’aigua, de fins a 1 650 m, i petits cabals; la turbina Francis , deguda a l’enginyer britànic emigrat als EUA James Bicheno Francis (1815-92), de reacció, apropiada per a salts i cabals mitjans, i la turbina Kaplan , inventada per l’enginyer austríac Viktor Kaplan (1876-1934), de reacció i axial, per a petits salts i grans cabals. Una variant de la turbina Kaplan és l’anomenada turbina de bulb , d’eix horitzontal, emprada en les centrals mareomotrius, en les quals és aprofitada l’energia de les marees. Les turbines de gas són motors endotèrmics, rotatius, constituïts per dos conjunts principals: el generador de gas i l’element productor de treball útil. El generador de gas consta d’un compressor d’aire, mogut per una turbina, i d’una o més cambres de combustió muntades en paral·lel. L’element productor de treball útil pot ésser de dos tipus fonamentals, segons que es tracti d’obtenir treball en un eix (turbina pròpiament dita) o empenta per reacció ( turboreactor ). En la versió més simple, el funcionament és el següent: mitjançant un turbocompressor centrífug o axial són elevades la pressió i la temperatura de l’aire aspirat de l’ambient (compressió adiabàtica) i tot seguit l’aire és enviat a pressió, a través d’un difusor, a la cambra de combustió, on s’eleva la seva temperatura cremant-hi un combustible (gasos industrials, derivats del petroli, etc); no tot l’aire és emprat per a la combustió, i el gran excés serveix per a refredar els productes que en resulten fins a la màxima temperatura admissible per la turbina i per a refrigerar la cambra. Per a aconseguir-ho, la cambra de combustió consta de dues camises concèntriques, i una part de l’aire (aire primari) entra directament en la zona central de la cambra, on es mescla amb el combustible injectat, i així s’origina una combustió gairebé estequiomètrica, mentre que la resta de l’aire (aire secundari) circula per la corona existent entre les dues camises i entra progressivament al nucli de la cambra, a través d’unes escletxes i orificis que hi ha en la camisa interior o tub de flames. Com a conseqüència es produeix una estabilització de la flama i un refredament dels gasos. Durant la combustió la pressió es manté pràcticament constant. Tot seguit té lloc la fase d’expansió en la turbina, la qual consta d’una part fixa ( estator ) i d’una de mòbil rotativa ( rotor ). Tant els estators com els rotors són guarnits d’àleps col·locats alternativament. Cada corona d’àleps d’un rotor constitueix un anomenat escalonament de la turbina. Els gasos provinents de cambra cedeixen part de llur contingut energètic en expandir-se en els escalonaments de la turbina, i produeixen treball mecànic en l’eix. Els àleps de l’estator serveixen per a canalitzar els gasos entre dues corones consecutives del rotor. Part de l’energia recollida per la turbina és emprada per a fer anar el compressor, i la resta és l’útil. El rendiment d’aquests grups és baix (del 15 al 20%), però amb l’avantatge que tenen una elevada potència per unitat de pes, cosa que els fa apropiats en aplicacions aeronàutiques i navals lleugeres (llanxes ràpides). Una altra característica d’interès és el fet de tenir una engegada ràpida en comparació de les turbines de vapor, la qual cosa les fa útils per a unitats auxiliars o d’emergència de producció elèctrica, si bé no se solen sobrepassar potències d’uns 35 000 kW.
Esquema de tres turbines. A dalt, dues d’hidràuliques: a l’esquerra, la Francis d’eix vertical; a la dreta, la Straflo axial d’eix inclinat, en una central mareomotriu, caracteritzada pel fet que la corono exterior del rodet i el rotor de l’alternador són concèntrics i solidaris; a baix, una de gas de rendiment alt (36%) i la seva part central ampliada.
© Fototeca.cat
El rendiment del grup millora en augmentar la relació de temperatures entre l’entrada de la turbina i l’entrada del compressor (temperatura ambient) i en augmentar els rendiments isentròpics del compressor i de la turbina, mentre que la relació òptima entre la temperatura a la sortida del compressor i la temperatura d’entrada (temperatura ambient) és funció de les característiques abans esmentades i condiciona la relació de compressió del compressor, que sol ésser entre 5 i 15. La causa principal del baix rendiment de les turbines de gas és la temperatura relativament baixa permesa a l’entrada de la turbina, que és normalment de l’ordre dels 900°C. La constant millora dels aliatges resistents a la fatiga i a la temperatura i l’optimació de tècniques de refredament dels àleps permet de treballar cada cop a temperatures més altes i aconseguir millors rendiments. Pot ésser millorat també el rendiment col·locant un recuperador de calor en el qual els gasos que surten de la turbina són emprats per a escalfar l’aire procedent del compressor. També poden ésser dividits els processos de compressió i d’expansió en diverses fases amb refredaments i sobreescalfaments intermedis, respectivament. Mitjançant aquests procediments poden ésser assolits rendiments d’un 38%, tot augmentant el pes i el grau de sofisticació del grup. Les turbines de vapor són motors exotèrmics, rotatius, constituïts per un generador de vapor ( caldera ), la turbina pròpiament dita, un condensador i l’equip de bombament. A diferència de les turbines de gas, operen en circuit tancat, segons un procés que en el cas més simple té les fases següents: bombament de l’aigua des de la sortida del condensador fins a la caldera, ebullició i sobreescalfament del vapor resultant, el qual, a temperatura i pressió elevades, incideix a gran velocitat, a través d’una corona de toveres distribuïdores, en la turbina transferint-li part de la seva energia i, finalment, el vapor que surt de la turbina és condensat, emprant aigua com a refrigerant, i un cop en estat líquid és bombada de nou cap a la caldera. La turbina de vapor consta d’un estator i d’un rotor amb les corresponents corones d’àleps, com en les de gas, malgrat que la circumstància que les pressions siguin superiors i les temperatures no tan elevades les fa de concepció bastant diferent. Hi ha dos tipus fonamentals d’escalonaments: els d’acció, caracteritzats pel fet que l’expansió té lloc en les corones d’àleps fixos, mentre que en les mòbils la pressió es manté constant, i els de reacció, en els quals la caiguda de pressió es reparteix entre les corones fixes i les mòbils. Normalment les turbines de vapor consten d’un o dos escalonaments d’acció, seguits de diversos de reacció. El rendiment del grup depèn dels salts de pressió i temperatura. En molts casos és efectuat un sobreescalfament intermedi, consistent a escalfar a pressió constant el vapor que ja ha treballat en una part de la turbina i tornar-lo a introduir per tal que s’hi torni a expandir, amb la qual cosa hom augmenta el rendiment prop d’un 3%. Si bé la turbina de vapor té un rendiment més elevat que la de gas, té l’inconvenient que la potència obtenible per unitat de pes és molt inferior, cosa que la fa adequada per a instal·lacions fixes. Les aplicacions més freqüents són en centrals elèctriques (tèrmiques i nuclears) i en propulsió naval de gran potència.