Turbina de vapor

Las palas de las turbinas son de dos tipos básicos: palas y boquillas . Las palas se mueven completamente debido al impacto del vapor sobre ellas y sus perfiles no convergen. Esto da como resultado una caída de velocidad del vapor y prácticamente ninguna caída de presión a medida que el vapor se mueve a través de las palas. Una turbina compuesta por palas alternadas con boquillas fijas se denomina turbina de impulso .Turbina Curtis , turbina Rateau o turbina Brown-Curtis . Las toberas se asemejan a álabes, pero sus perfiles convergen cerca de la salida. Esto provoca una caída de presión y un aumento de velocidad del vapor a medida que este pasa por las toberas. El movimiento de las toberas se debe tanto al impacto del vapor sobre ellas como a la reacción generada por el vapor a alta velocidad en la salida. Una turbina compuesta por toberas móviles alternadas con toberas fijas se denomina turbina de reacción o turbina Parsons .

Excepto para aplicaciones de baja potencia, las palas de la turbina se disponen en múltiples etapas en serie, lo que se denomina composición , lo que mejora enormemente la eficiencia a bajas velocidades. ^{[ 21 ]} Una etapa de reacción es una fila de boquillas fijas seguida de una fila de boquillas móviles. Múltiples etapas de reacción dividen la caída de presión entre la entrada y la salida del vapor en numerosas caídas pequeñas, lo que da como resultado una turbina de composición de presión . Las etapas de impulso pueden ser de composición de presión, de composición de velocidad o de composición de presión y velocidad. Una etapa de impulso de composición de presión es una fila de boquillas fijas seguida de una fila de palas móviles, con múltiples etapas para la composición. Esto también se conoce como turbina Rateau, en honor a su inventor. Una etapa de impulso de composición de velocidad (inventada por Curtis y también llamada "rueda de Curtis") es una fila de boquillas fijas seguida de dos o más filas de palas móviles que se alternan con filas de palas fijas. Esto divide la caída de velocidad a través de la etapa en varias caídas más pequeñas. ^{[ 22 ]} Una serie de etapas de impulso de velocidad compuesta se denomina turbina de presión-velocidad compuesta .

Para 1905, cuando las turbinas de vapor comenzaron a utilizarse en buques rápidos (como el HMS Dreadnought  ) y en aplicaciones de energía terrestres, se determinó que era conveniente utilizar una o más ruedas Curtis al inicio de una turbina multietapa (donde la presión del vapor es máxima), seguidas de etapas de reacción. Esto resultaba más eficiente con vapor a alta presión debido a la reducción de fugas entre el rotor de la turbina y la carcasa. ^{[ 23 ]} Esto se ilustra en el dibujo de la turbina de vapor marina alemana AEG de 1905. El vapor de las calderas entra por la derecha a alta presión a través de una válvula de estrangulamiento , controlada manualmente por un operador (en este caso, un marinero conocido como el encargado de la válvula). Pasa a través de cinco ruedas Curtis y numerosas etapas de reacción (las pequeñas palas en los bordes de los dos grandes rotores centrales) antes de salir a baja presión, casi con seguridad a un condensador . El condensador proporciona un vacío que maximiza la energía extraída del vapor y lo condensa en agua de alimentación para ser devuelta a las calderas. A la izquierda se encuentran varias etapas de reacción adicionales (en dos grandes rotores) que hacen girar la turbina en sentido inverso para la operación en reversa, con la entrada de vapor a través de una válvula de estrangulamiento independiente. Dado que los buques rara vez operan en reversa, la eficiencia no es una prioridad en las turbinas de reversa, por lo que se utilizan pocas etapas para ahorrar costos.

Uno de los principales desafíos en el diseño de turbinas era reducir la deformación por fluencia de los álabes. Debido a las altas temperaturas y tensiones de funcionamiento, los materiales de las turbinas de vapor se dañan por estos mecanismos. Al aumentar la temperatura para mejorar la eficiencia de la turbina, la deformación por fluencia se vuelve significativa. Para limitarla, se utilizan recubrimientos térmicos y superaleaciones con endurecimiento por solución sólida y por límites de grano en el diseño de los álabes.

Los recubrimientos protectores se utilizan para reducir el daño térmico y limitar la oxidación . Estos recubrimientos suelen ser cerámicas estabilizadas a base de dióxido de circonio . El uso de un recubrimiento de protección térmica limita la exposición a la temperatura de la superaleación de níquel. Esto reduce los mecanismos de fluencia que se producen en la pala. Los recubrimientos antioxidantes limitan las pérdidas de eficiencia causadas por la acumulación de material en la superficie de las palas, lo cual es especialmente importante en entornos de alta temperatura. ^{[ 24 ]}

Las palas a base de níquel se alean con aluminio y titanio para mejorar su resistencia y resistencia a la fluencia. La microestructura de estas aleaciones se compone de diferentes regiones de composición. Una dispersión uniforme de la fase gamma prima —una combinación de níquel, aluminio y titanio— promueve la resistencia y la resistencia a la fluencia de la pala gracias a su microestructura. ^{[ 25 ]}

Se pueden añadir elementos refractarios como el renio y el rutenio a la aleación para mejorar la resistencia a la fluencia. La adición de estos elementos reduce la difusión de la fase gamma prima, preservando así la resistencia a la fatiga , la resistencia mecánica y la resistencia a la fluencia. ^{[ 26 ]}

Los tipos de turbinas incluyen las de condensación, las que no condensan, las de recalentamiento, las de extracción y las de inducción.

Estas configuraciones incluyen turbinas de carcasa simple, de doble expansión y de expansión cruzada. Las unidades de carcasa simple son el estilo más básico, donde una sola carcasa y un eje se acoplan a un generador. Las de doble expansión se utilizan cuando dos o más carcasas se acoplan directamente para accionar un solo generador. Una configuración de turbina de expansión cruzada presenta dos o más ejes no alineados que accionan dos o más generadores que a menudo operan a diferentes velocidades. Una turbina de expansión cruzada se utiliza típicamente para muchas aplicaciones de gran tamaño. A continuación se ilustra una instalación naval típica de las décadas de 1930 a 1960; esta muestra turbinas de alta y baja presión accionando un engranaje reductor común, con una turbina de crucero con engranajes en una de las turbinas de alta presión.

El vapor en movimiento ejerce un empuje tanto tangencial como axial sobre el eje de la turbina, pero en una turbina simple, el empuje axial no encuentra oposición. Para mantener la posición y el equilibrio correctos del rotor, esta fuerza debe ser contrarrestada por una fuerza opuesta. Se pueden usar cojinetes de empuje para los cojinetes del eje, el rotor puede usar pistones ficticios, puede ser de doble flujo (el vapor entra por el centro del eje y sale por ambos extremos), o una combinación de cualquiera de estas opciones. En un rotor de doble flujo , los álabes de cada mitad se orientan en direcciones opuestas, de modo que las fuerzas axiales se anulan entre sí, pero las fuerzas tangenciales actúan conjuntamente. Este diseño de rotor también se denomina de doble flujo , de doble flujo axial o de doble escape . Esta disposición es común en las carcasas de baja presión de una turbina compuesta. ^{[ 27 ]}

Una turbina de impulsos tiene toberas fijas que orientan el flujo de vapor en chorros de alta velocidad. Estos chorros contienen una energía cinética significativa, que se convierte en rotación del eje mediante las palas del rotor, con forma de cubo, a medida que el chorro de vapor cambia de dirección. Se produce una caída de presión únicamente en las palas fijas, con un aumento neto de la velocidad del vapor a lo largo de la etapa. A medida que el vapor fluye a través de la tobera, su presión disminuye desde la presión de entrada hasta la presión de salida (presión atmosférica o, más comúnmente, el vacío del condensador). Debido a esta alta relación de expansión del vapor, este sale de la tobera a una velocidad muy alta. El vapor que sale de las palas móviles posee una gran parte de la velocidad máxima del vapor al salir de la tobera. La pérdida de energía debida a esta mayor velocidad de salida se conoce comúnmente como velocidad de arrastre o pérdida de salida.

La ley del momento angular establece que la suma de los momentos de las fuerzas externas que actúan sobre un fluido que ocupa temporalmente el volumen de control es igual al cambio neto en el tiempo del flujo de momento angular a través del volumen de control.

El fluido giratorio entra en el volumen de control en el radio${\displaystyle r_{1}}$con velocidad tangencial${\displaystyle V_{w1}}$y hojas en radio${\displaystyle r_{2}}$con velocidad tangencial${\displaystyle V_{w2}}$.

Un triángulo de velocidades facilita una mejor comprensión de la relación entre las distintas velocidades. En la figura adjunta tenemos:

${\displaystyle V_{1}}$y${\displaystyle V_{2}}$son las velocidades absolutas en la entrada y la salida respectivamente.

${\displaystyle V_{f1}}$y${\displaystyle V_{f2}}$son las velocidades de flujo en la entrada y la salida respectivamente.

${\displaystyle V_{w1}}$y${\displaystyle V_{w2}}$son las velocidades de remolino en la entrada y la salida respectivamente, en la referencia móvil.

${\displaystyle V_{r1}}$y${\displaystyle V_{r2}}$son las velocidades relativas en la entrada y la salida respectivamente.

${\displaystyle U}$es la velocidad de la pala.

${\displaystyle \alpha }$es el ángulo de la paleta guía y${\displaystyle \beta }$es el ángulo de la hoja.

Entonces, por la ley del momento, el torque sobre el fluido viene dado por:

${\displaystyle T={\dot {m}}\left(r_{2}V_{w2}-r_{1}V_{w1}\right)}$

Para una turbina de vapor de impulso:${\displaystyle r_{2}=r_{1}=r}$Por lo tanto, la fuerza tangencial sobre las palas es${\displaystyle F_{u}={\dot {m}}\left(V_{w1}-V_{w2}\right)}$. El trabajo realizado por unidad de tiempo o potencia desarrollada:${\displaystyle W=T\omega }$.

Cuando ω es la velocidad angular de la turbina, entonces la velocidad de la pala es${\displaystyle U=\omega r}$. El poder desarrollado es entonces${\displaystyle W={\dot {m}}U(\Delta V_{w})}$.

Eficiencia de la etapa

Una etapa de una turbina de impulso consta de un conjunto de boquillas y una rueda móvil. La eficiencia de la etapa define la relación entre la caída de entalpía en la boquilla y el trabajo realizado en la etapa. $${\displaystyle {\eta _{\mathrm {stage} }}={\frac {\mathrm {Work~done~on~blade} }{\mathrm {Energy~supplied~per~stage} }}={\frac {U\Delta V_{w}}{\Delta h}}}$$ Dónde${\displaystyle \Delta h=h_{2}-h_{1}}$es la caída de entalpía específica del vapor en la boquilla.

Según la primera ley de la termodinámica : $${\displaystyle h_{1}+{\frac {1}{2}}{V_{1}}^{2}=h_{2}+{\frac {1}{2}}{V_{2}}^{2}}$$ Suponiendo que${\displaystyle V_{1}}$es notablemente menor que${\displaystyle V_{2}}$, obtenemos${\displaystyle {\Delta h}\approx {\frac {1}{2}}{V_{2}}^{2}}$Además, la eficiencia de la etapa es el producto de la eficiencia de la pala y la eficiencia de la boquilla, o${\displaystyle \eta _{\text{stage}}=\eta _{b}\eta _{N}}$.

La eficiencia de la boquilla viene dada por${\displaystyle \eta _{N}={\frac {{V_{2}}^{2}}{2\left(h_{1}-h_{2}\right)}}}$donde la entalpía (en J/Kg) del vapor a la entrada de la boquilla es${\displaystyle h_{1}}$y la entalpía del vapor a la salida de la boquilla es${\displaystyle h_{2}}$. $${\displaystyle {\begin{aligned}\Delta V_{w}&=V_{w1}-\left(-V_{w2}\right)\\&=V_{w1}+V_{w2}\\&=V_{r1}\cos \beta _{1}+V_{r2}\cos \beta _{2}\\&=V_{r1}\cos \beta _{1}\left(1+{\frac {V_{r2}\cos \beta _{2}}{V_{r1}\cos \beta _{1}}}\right)\end{aligned}}}$$ La relación de los cosenos de los ángulos de las palas en la salida y la entrada se puede tomar y denotar${\displaystyle c={\frac {\cos \beta _{2}}{\cos \beta _{1}}}}$La relación entre las velocidades del vapor y la velocidad del rotor en la salida y la entrada del álabe se define mediante el coeficiente de fricción.${\displaystyle k={\frac {V_{r2}}{V_{r1}}}}$.

${\displaystyle k<1}$y representa la pérdida de velocidad relativa debida a la fricción a medida que el vapor fluye alrededor de las palas (${\displaystyle k=1}$para cuchillas lisas). $${\displaystyle \eta _{b}={\frac {2U\Delta V_{w}}{{V_{1}}^{2}}}={\frac {2U}{V_{1}}}\left(\cos \alpha _{1}-{\frac {U}{V_{1}}}\right)(1+kc)}$$

La relación entre la velocidad de la pala y la velocidad absoluta del vapor en la entrada se denomina relación de velocidad de la pala.${\displaystyle \rho ={\frac {U}{V_{1}}}}$.

${\displaystyle \eta _{b}}$es máximo cuando${\displaystyle {\frac {d\eta _{b}}{d\rho }}=0}$o,${\displaystyle {\frac {d}{d\rho }}\left(2{\cos \alpha _{1}-\rho ^{2}}(1+kc)\right)=0}$Eso implica${\displaystyle \rho ={\frac {1}{2}}\cos \alpha _{1}}$y por lo tanto${\displaystyle {\frac {U}{V_{1}}}={\frac {1}{2}}\cos \alpha _{1}}$. Ahora${\displaystyle \rho _{opt}={\frac {U}{V_{1}}}={\frac {1}{2}}\cos \alpha _{1}}$(para una turbina de impulso de una sola etapa).

Por lo tanto, el valor máximo de eficiencia de etapa se obtiene colocando el valor de${\displaystyle {\frac {U}{V_{1}}}={\frac {1}{2}}\cos \alpha _{1}}$en la expresión de${\displaystyle \eta _{b}}$.

Obtenemos:${\displaystyle {\eta _{b}}_{\text{max}}=2\left(\rho \cos \alpha _{1}-\rho ^{2}\right)(1+kc)={\frac {1}{2}}\cos ^{2}\alpha _{1}(1+kc)}$.

Para hojas equiangulares,${\displaystyle \beta _{1}=\beta _{2}}$, por lo tanto${\displaystyle c=1}$y obtenemos${\displaystyle {\eta _{b}}_{\text{max}}={\frac {1}{2}}\cos ^{2}\alpha _{1}(1+k)}$. Si se desprecia la fricción debida a la superficie de la cuchilla entonces${\displaystyle {\eta _{b}}_{\text{max}}=\cos ^{2}\alpha _{1}}$.

En la turbina de reacción , los álabes del rotor están dispuestos formando toberas convergentes . Este tipo de turbina aprovecha la fuerza de reacción generada por la aceleración del vapor al pasar por las toberas del estator. El vapor es dirigido hacia el rotor por los álabes fijos del estator y sale de él en forma de chorro que llena toda la circunferencia del rotor. El vapor cambia entonces de dirección y aumenta su velocidad con respecto a la de los álabes. Se produce una caída de presión tanto en el estator como en el rotor, con el vapor acelerándose en el estator y desacelerándose en el rotor, sin que se produzca un cambio neto en la velocidad del vapor en toda la etapa, pero con una disminución tanto de la presión como de la temperatura, lo que refleja el trabajo realizado al accionar el rotor.

Eficiencia de la pala

Aporte de energía a las palas en una etapa:

${\displaystyle E=\Delta h}$es igual a la energía cinética suministrada a las palas fijas (f) + la energía cinética suministrada a las palas móviles (m).

O,${\displaystyle E}$= caída de entalpía sobre las palas fijas,${\displaystyle \Delta h_{f}}$+ caída de entalpía sobre las palas en movimiento,${\displaystyle \Delta h_{m}}$.

El efecto de la expansión del vapor sobre las palas móviles es aumentar la velocidad relativa a la salida. Por lo tanto, la velocidad relativa a la salida${\displaystyle V_{r2}}$siempre es mayor que la velocidad relativa en la entrada${\displaystyle V_{r1}}$.

En términos de velocidades, la caída de entalpía sobre las palas en movimiento viene dada por: $${\displaystyle \Delta h_{m}={\frac {V_{r2}^{2}-V_{r1}^{2}}{2}}}$$ (contribuye a un cambio en la presión estática)

La caída de entalpía en los álabes fijos, suponiendo que la velocidad del vapor que entra en los álabes fijos es igual a la velocidad del vapor que sale de los álabes que antes se movían, viene dada por: $${\displaystyle \Delta h_{f}={\frac {V_{1}^{2}-V_{0}^{2}}{2}}}$$ donde V ₀ es la velocidad de entrada del vapor en la boquilla

${\displaystyle V_{0}}$es muy pequeño y por lo tanto puede despreciarse. Por lo tanto,${\displaystyle \Delta h_{f}={\frac {V_{1}^{2}}{2}}}$

$${\displaystyle {\begin{aligned}E&=\Delta h_{f}+\Delta h_{m}\\&={\frac {V_{1}^{2}}{2}}+{\frac {V_{r2}^{2}-V_{r1}^{2}}{2}}\end{aligned}}}$$ Un diseño muy utilizado tiene un grado de reacción de medio o 50%, y se conoce como turbina de Parsons . Esta consta de álabes de rotor y estator simétricos. Para esta turbina, el triángulo de velocidades es similar y tenemos: $${\displaystyle \alpha _{1}=\beta _{2}}$$,${\displaystyle \beta _{1}=\alpha _{2}}$$${\displaystyle V_{1}=V_{r2}}$$,${\displaystyle V_{r1}=V_{2}}$

Suponiendo la turbina de Parsons y obteniendo todas las expresiones, obtenemos $${\displaystyle E=V_{1}^{2}-{\frac {V_{r1}^{2}}{2}}}$$ Del triángulo de velocidad de entrada tenemos${\displaystyle V_{r1}^{2}=V_{1}^{2}+U^{2}-2UV_{1}\cos \alpha _{1}}$$${\displaystyle {\begin{aligned}E&=V_{1}^{2}-{\frac {V_{1}^{2}}{2}}-{\frac {U^{2}}{2}}+{\frac {2UV_{1}\cos \alpha _{1}}{2}}\\&={\frac {V_{1}^{2}-U^{2}+2UV_{1}\cos \alpha _{1}}{2}}\end{aligned}}}$$ Trabajo realizado (por unidad de caudal másico por segundo):${\displaystyle W=U\Delta V_{w}=U\left(2V_{1}\cos \alpha _{1}-U\right)}$

Por lo tanto, la eficiencia de la pala viene dada por $${\displaystyle \eta _{b}={\frac {2U(2V_{1}\cos \alpha _{1}-U)}{V_{1}^{2}-U^{2}+2V_{1}U\cos \alpha _{1}}}}$$

Condición de máxima eficiencia de la pala

Si${\displaystyle {\rho }={\frac {U}{V_{1}}}}$, entonces

${\displaystyle {\eta _{b}}_{\text{max}}={\frac {2\rho (\cos \alpha _{1}-\rho )}{1-\rho ^{2}+2\rho \cos \alpha _{1}}}}$

Para una máxima eficiencia${\displaystyle {d\eta _{b} \over d\rho }=0}$, obtenemos

${\displaystyle {d\eta _{b} \over d\rho }={\frac {\left(1-\rho ^{2}+2\rho \cos \alpha _{1}\right)\left(4\cos \alpha _{1}-4\rho \right)-2\rho \left(2\cos \alpha _{1}-\rho \right)\left(-2\rho +2\cos \alpha _{1}\right)}{(1-\rho ^{2}+2\rho \cos \alpha _{1})^{2}}}=0}$

y esto finalmente da${\displaystyle \rho _{opt}={\frac {U}{V_{1}}}=\cos \alpha _{1}}$

Por lo tanto,${\displaystyle {\eta _{b}}_{\text{max}}}$se encuentra colocando el valor de${\displaystyle \rho =\cos \alpha _{1}}$en la expresión de la eficiencia de la pala

${\displaystyle {\begin{aligned}{\eta _{b}}_{\text{reaction}}&={\frac {2\cos ^{2}\alpha _{1}}{1+\cos ^{2}\alpha _{1}}}\\{\eta _{b}}_{\text{impulse}}&=\cos ^{2}\alpha _{1}\end{aligned}}}$

Las turbinas de vapor y sus carcasas poseen una alta inercia térmica debido a las elevadas presiones utilizadas en los circuitos de vapor y a los materiales empleados. Durante el calentamiento de un conjunto para su uso, las válvulas principales de cierre de vapor (después de la caldera) cuentan con una línea de derivación que permite que el vapor sobrecalentado circule lentamente y caliente las tuberías del sistema junto con la turbina. Además, cuando no hay vapor, se activa un mecanismo de giro para rotar lentamente la turbina, asegurando así un calentamiento uniforme y evitando una expansión desigual . Tras la primera rotación de la turbina mediante el mecanismo de giro, permitiendo que el rotor alcance una posición horizontal (sin deformación), se desactiva el mecanismo y se introduce vapor en la turbina, primero en los álabes de popa y luego en los de proa, haciendo girar lentamente la turbina a 10-15  RPM (0,17-0,25  Hz) para calentarla gradualmente. El procedimiento de calentamiento para turbinas de vapor de gran tamaño puede superar las diez horas. ^{[ 28 ]}

Durante el funcionamiento normal, el desequilibrio del rotor puede provocar vibraciones que, debido a las altas velocidades de rotación, podrían causar que una pala se desprenda del rotor y atraviese la carcasa. Para mitigar este riesgo, se realizan importantes esfuerzos para equilibrar la turbina. Además, las turbinas funcionan con vapor de alta calidad: vapor sobrecalentado (seco) o vapor saturado con un alto grado de sequedad. Esto evita el impacto y la erosión rápidos de las palas que se producen cuando el agua condensada se proyecta sobre ellas (arrastre de humedad). Asimismo, el agua líquida que entra en las palas puede dañar los cojinetes de empuje del eje de la turbina. Para evitarlo, además de los controles y deflectores en las calderas que garantizan un vapor de alta calidad, se instalan drenajes de condensado en la tubería de vapor que conduce a la turbina.

Los requisitos de mantenimiento de las turbinas de vapor modernas son sencillos y conllevan bajos costos (normalmente alrededor de $0,005 por kWh); ^{[ 28 ]} su vida útil suele superar los 50 años.

El control de una turbina mediante un regulador es esencial, ya que las turbinas deben arrancar lentamente para evitar daños y algunas aplicaciones (como la generación de electricidad de corriente alterna) requieren un control preciso de la velocidad. ^{[ 29 ]} La aceleración incontrolada del rotor de la turbina puede provocar una parada por sobrevelocidad, lo que hace que el regulador y las válvulas de estrangulamiento que controlan el flujo de vapor hacia la turbina se cierren. Si estas válvulas fallan, la turbina puede seguir acelerando hasta que se rompa, a menudo de forma catastrófica. Las turbinas son costosas de fabricar, ya que requieren una fabricación de precisión y materiales de calidad especial.

Durante el funcionamiento normal en sincronización con la red eléctrica, las centrales eléctricas se rigen por un control de velocidad con una caída del cinco por ciento . Esto significa que la velocidad a plena carga es del 100 % y la velocidad en vacío es del 105 %. Esto es necesario para el funcionamiento estable de la red sin oscilaciones ni desconexiones de las centrales eléctricas. Normalmente, los cambios de velocidad son mínimos. Los ajustes en la potencia de salida se realizan elevando lentamente la curva de caída mediante el aumento de la presión del resorte en un regulador centrífugo . Generalmente, este es un requisito básico del sistema para todas las centrales eléctricas, ya que las centrales más antiguas y las más nuevas deben ser compatibles en respuesta a los cambios instantáneos de frecuencia sin depender de la comunicación externa. ^{[ 30 ]}

La turbina de vapor funciona según los principios básicos de la termodinámica, utilizando la parte 3-4 del ciclo Rankine que se muestra en el diagrama adjunto. El vapor sobrecalentado (o vapor saturado seco, según la aplicación) sale de la caldera a alta temperatura y alta presión. Al entrar en la turbina, el vapor gana energía cinética al pasar por una tobera (una tobera fija en una turbina de impulso o los álabes fijos en una turbina de reacción). Cuando el vapor sale de la tobera, se mueve a alta velocidad hacia los álabes del rotor de la turbina. Se crea una fuerza sobre los álabes debido a la presión del vapor, lo que provoca su movimiento. Se puede colocar un generador u otro dispositivo similar en el eje, y la energía que estaba en el vapor ahora se puede almacenar y utilizar. El vapor sale de la turbina como vapor saturado (o mezcla líquido-vapor, según la aplicación) a una temperatura y presión más bajas que las de entrada y se envía al condensador para su enfriamiento. ^{[ 31 ]} La primera ley nos permite encontrar una fórmula para la tasa a la que se desarrolla trabajo por unidad de masa. Suponiendo que no hay transferencia de calor al entorno circundante y que los cambios en la energía cinética y potencial son despreciables en comparación con el cambio en la entalpía específica , llegamos a la siguiente ecuación:

${\displaystyle {\frac {\dot {W}}{\dot {m}}}=h_{3}-h_{4}}$

dónde

${\displaystyle {\dot {W}}}$es la tasa a la que se desarrolla el trabajo por unidad de tiempo

${\displaystyle {\dot {m}}}$es la tasa de flujo másico a través de la turbina

El desarrollo de la propulsión marina mediante turbinas de vapor entre 1894 y 1935 estuvo dominado por la necesidad de conciliar la alta velocidad de la turbina con la baja velocidad (menos de 300 rpm) de la hélice del barco, a un coste total competitivo con los motores de pistón . En 1894, no se disponía de reductores eficientes para las altas potencias requeridas por los barcos, por lo que era necesario el accionamiento directo . En el Turbinia , que contaba con accionamiento directo a cada eje de la hélice, la velocidad de la turbina se redujo tras las pruebas iniciales dirigiendo el flujo de vapor a través de las tres turbinas de accionamiento directo (una en cada eje) en serie, probablemente sumando alrededor de 200 etapas de turbina operando en serie. Además, había tres hélices en cada eje para operar a altas velocidades. ^{[ 34 ]} Las altas velocidades de los ejes de la época están representadas por uno de los primeros destructores estadounidenses propulsados ​​por turbinas , el USS Smith  , botado en 1909, que tenía turbinas de transmisión directa y cuyos tres ejes giraban a 724 rpm a 28,35 nudos (52,50 km/h; 32,62 mph) . ^{[ 35 ]}  

El uso de turbinas en varias carcasas que descargan vapor entre sí en serie se convirtió en estándar en la mayoría de las aplicaciones de propulsión marina posteriores, y es una forma de compensación cruzada . La primera turbina se denominaba turbina de alta presión (HP), la última turbina era la turbina de baja presión (LP), y cualquier turbina intermedia era una turbina de presión intermedia (IP). Una disposición mucho más reciente que la de Turbinia se puede observar en el RMS Queen Mary  en Long Beach, California , botado en 1934, en el que cada eje es impulsado por cuatro turbinas en serie conectadas a los extremos de los dos ejes de entrada de una caja de engranajes de reducción simple. Estas son las turbinas HP, 1.ª IP, 2.ª IP y LP.

La búsqueda de la economía de combustible era aún más importante al considerar las velocidades de crucero. La velocidad de crucero es aproximadamente el 50 % de la velocidad máxima de un buque de guerra y entre el 20 % y el 25 % de su nivel máximo de potencia. Esta sería la velocidad utilizada en viajes largos cuando se busca ahorrar combustible. Si bien esto redujo la velocidad de la hélice a un rango eficiente, la eficiencia de la turbina se vio muy reducida, y los primeros buques con turbinas tenían una autonomía de crucero limitada. Una solución que resultó útil durante la mayor parte de la era de la propulsión con turbinas de vapor fue la turbina de crucero. Esta era una turbina adicional para agregar aún más etapas, inicialmente conectada directamente a uno o más ejes, descargando en una etapa ubicada a mitad de la turbina de alta presión, y no utilizada a altas velocidades. Cuando los engranajes reductores estuvieron disponibles alrededor de 1911, algunos buques, en particular el acorazado USS Nevada  , los incorporaron en las turbinas de crucero, manteniendo las turbinas principales de transmisión directa. Los engranajes reductores permitieron que las turbinas operaran en su rango eficiente a una velocidad mucho mayor que la del eje, pero su fabricación era costosa.

Las turbinas de crucero compitieron inicialmente con los motores de pistón en cuanto a eficiencia de combustible. Un ejemplo de la persistencia de los motores de pistón en buques rápidos fue el famoso RMS Olympic  de 1911, que, junto con sus buques gemelos RMS Titanic  y HMHS Britannic,  contaba con motores de triple expansión en los dos ejes exteriores, ambos con salida a una turbina de baja presión en el eje central. Tras la adopción de turbinas en los acorazados de la clase Delaware , botados en 1909, la Armada de los Estados Unidos volvió a la maquinaria de pistón en los acorazados de la clase New York de 1912, para luego regresar a las turbinas en el Nevada en 1914. La persistente preferencia por la maquinaria de pistón se debía a que la Armada de los Estados Unidos no tenía planes para buques capitales que superaran los 21 nudos (39 km/h; 24 mph) hasta después de la Primera Guerra Mundial, por lo que la velocidad máxima era menos importante que la eficiencia en la navegación. Estados Unidos había adquirido Filipinas y Hawái como territorios en 1898 y carecía de la red mundial de estaciones de abastecimiento de carbón de la Marina Real Británica . Por lo tanto, entre 1900 y 1940, la Marina estadounidense tenía la mayor necesidad de eficiencia en el consumo de combustible de todas las naciones, especialmente ante la perspectiva de una guerra con Japón tras la Primera Guerra Mundial. Esta necesidad se vio agravada por el hecho de que Estados Unidos no botó ningún crucero entre 1908 y 1920, por lo que se requirieron destructores para realizar misiones de largo alcance que normalmente se asignaban a los cruceros. Así, se instalaron diversas soluciones de crucero en los destructores estadounidenses botados entre 1908 y 1916. Estas incluían pequeños motores alternativos y turbinas de crucero con o sin engranajes en uno o dos ejes. Sin embargo, una vez que las turbinas con engranajes demostraron ser económicas en cuanto a costo inicial y consumo de combustible, se adoptaron rápidamente, incluyéndose también turbinas de crucero en la mayoría de los buques. A partir de 1915, todos los nuevos destructores de la Marina Real Británica contaban con turbinas con engranajes, y Estados Unidos hizo lo mismo en 1917.  

En la Marina Real , la velocidad era una prioridad hasta que la batalla de Jutlandia a mediados de 1916 demostró que en los cruceros de batalla se había sacrificado demasiado blindaje en su afán. Los británicos utilizaron exclusivamente buques de guerra propulsados ​​por turbinas desde 1906. Dado que reconocían que un largo alcance de crucero sería deseable para su imperio mundial, algunos buques de guerra, en particular los acorazados de la clase Queen Elizabeth , fueron equipados con turbinas de crucero a partir de 1912, tras instalaciones experimentales previas.

En la Armada de los EE. UU., los destructores de la clase Mahan , botados entre 1935 y 1936, introdujeron engranajes de doble reducción. Esto aumentó aún más la velocidad de la turbina por encima de la velocidad del eje, lo que permitió turbinas más pequeñas que las de engranajes de reducción simple. Las presiones y temperaturas del vapor también aumentaron progresivamente, desde 300 psi (2100 kPa) / 425 °F (218 °C) [vapor saturado] en la clase Wickes de la Primera Guerra Mundial hasta 615 psi (4240 kPa) / 850 °F (454 °C) [vapor sobrecalentado] en algunos destructores de la clase Fletcher de la Segunda Guerra Mundial y buques posteriores. ^{[ 36 ] [ 37 ]} Surgió una configuración estándar de una turbina de alta presión de flujo axial (a veces con una turbina de crucero acoplada) y una turbina de baja presión de doble flujo axial conectada a una caja de engranajes de doble reducción. Esta disposición continuó durante toda la era del vapor en la Armada de los EE. UU. y también se utilizó en algunos diseños de la Royal Navy. ^{[ 38 ] [ 39 ]} Se puede observar maquinaria de esta configuración en muchos buques de guerra conservados de la Segunda Guerra Mundial en varios países. ^{[ 40 ]}        

Cuando se reanudó la construcción de buques de guerra de la Armada de los EE. UU. a principios de la década de 1950, la mayoría de los buques de combate de superficie y portaaviones utilizaban vapor a 1200 psi (8300 kPa) / 950 °F ( 510 °C) . ^{[ 41 ]} Esto continuó hasta el final de la era de los buques de guerra propulsados ​​por vapor de la Armada de los EE. UU. con las fragatas de la clase Knox de principios de la década de 1970. Los buques anfibios y auxiliares continuaron utilizando vapor a 600 psi (4100 kPa) después de la Segunda Guerra Mundial, siendo el USS Iwo Jima , botado en 2001, posiblemente el último buque propulsado por vapor no nuclear construido para la Armada de los EE. UU.       

La propulsión turboeléctrica se introdujo en el acorazado USS New Mexico  , botado en 1917. Durante los siguientes ocho años, la Armada de los Estados Unidos botó cinco acorazados turboeléctricos adicionales y dos portaaviones (inicialmente encargados como cruceros de batalla de la clase Lexington ). Se planificaron diez buques capitales turboeléctricos más, pero se cancelaron debido a las limitaciones impuestas por el Tratado Naval de Washington .

Aunque el New Mexico fue reacondicionado con turbinas de engranajes entre 1931 y 1933, los demás buques turboeléctricos conservaron este sistema durante toda su vida útil. Este sistema utilizaba dos grandes generadores de turbina de vapor para accionar un motor eléctrico en cada uno de los cuatro ejes. Inicialmente, el sistema era menos costoso que los engranajes reductores y mejoraba la maniobrabilidad de los buques en puerto, ya que los ejes podían invertir su sentido de giro rápidamente y proporcionar mayor potencia de reversa que la mayoría de los sistemas de engranajes.

Algunos transatlánticos también se construyeron con propulsión turboeléctrica, al igual que algunos transportes de tropas y escoltas de destructores de producción en masa durante la Segunda Guerra Mundial . Sin embargo, cuando Estados Unidos diseñó los "cruceros de tratado", comenzando con el USS Pensacola  botado en 1927, se utilizaron turbinas con engranajes para ahorrar peso, y este sistema se mantuvo en uso para todos los buques rápidos de vapor posteriores.

Desde la década de 1980, las turbinas de vapor han sido reemplazadas por turbinas de gas en los buques rápidos y por motores diésel en otros buques; las excepciones son los buques y submarinos de propulsión nuclear y los buques metaneros . ^{[ 42 ]} Algunos buques auxiliares continúan utilizando propulsión a vapor.

En la Armada de los EE. UU., la turbina de vapor de propulsión convencional todavía se utiliza en todos menos uno de los buques de asalto anfibio de la clase Wasp . La Royal Navy desmanteló su última clase de buques de guerra de superficie de propulsión convencional a vapor, el buque de desembarco de plataforma de la clase Fearless , en 2002, y la Armada italiana hizo lo mismo en 2006 al desmantelar sus últimos buques de guerra de superficie de propulsión convencional a vapor, los destructores de la clase Audace . En 2013, la Armada francesa puso fin a su era del vapor con el desmantelamiento de su última fragata de la clase Tourville . Entre las demás armadas de alta mar , la Armada rusa opera actualmente portaaviones de la clase Kuznetsov y destructores de la clase Sovremenny de propulsión a vapor . La Armada india opera actualmente el INS Vikramaditya , un portaaviones modificado de la clase Kiev ; también opera tres fragatas de la clase Brahmaputra comisionadas a principios de la década de 2000. La Armada china opera actualmente portaaviones de la clase Kuznetsov , destructores de la clase Sovremenny , destructores de la clase Luda y el único destructor Tipo 051B . La mayoría de las demás fuerzas navales han retirado o remotorizado sus buques de guerra de propulsión a vapor. A partir de 2020, la Armada mexicana opera cuatro fragatas de la antigua clase Knox de EE . UU., también de propulsión a vapor. La Armada egipcia y la Armada de la República de China operan dos y seis fragatas de la antigua clase Knox de EE. UU ., respectivamente . La Armada ecuatoriana opera actualmente dos fragatas de la clase Condell ( fragatas modificadas de la clase Leander ), también de propulsión a vapor .

Actualmente, la eficiencia de los ciclos de turbinas de vapor para propulsión aún no alcanza el 50%, mientras que los motores diésel superan habitualmente este porcentaje, especialmente en aplicaciones marinas. ^{[ 43 ] [ 44 ] [ 45 ]} Las centrales eléctricas diésel también presentan menores costes operativos, ya que requieren menos operadores. Por lo tanto, la energía de vapor convencional se utiliza en muy pocos buques nuevos. Una excepción son los buques metaneros, que a menudo consideran más económico utilizar el gas de evaporación con una turbina de vapor que volver a licuarlo.

Los buques y submarinos de propulsión nuclear utilizan un reactor nuclear para generar vapor para las turbinas. Actualmente, las turbinas de vapor de propulsión principal para los portaaviones de propulsión nuclear de las clases Nimitz y Ford de la Armada de los Estados Unidos son fabricadas por Curtiss-Wright , mientras que las turbinas de vapor para los submarinos de las clases Virginia y Columbia son fabricadas por Northrop Grumman .

La energía nuclear se suele elegir cuando la energía diésel resulta poco práctica (como en los submarinos ) o cuando la logística del reabastecimiento plantea problemas importantes (por ejemplo, en los rompehielos ). Se estima que el combustible del reactor de los submarinos Vanguard de la Royal Navy es suficiente para dar la vuelta al mundo 40 veces, lo que podría cubrir toda la vida útil del buque. La propulsión nuclear solo se ha aplicado a un número muy reducido de buques comerciales debido al elevado coste del mantenimiento y a las estrictas normativas que se exigen a los sistemas nucleares y a los ciclos del combustible.