Lurrun-turbina jariakinarekin funtzionatzen duen makina termiko motorra da. Makina hauetan lurrunaren energia termikoa ardatzaren energia mekaniko bihurtzen da. Turbina zeharkatzean lurruna zabaldu egiten da, bere bolumen espezifikoa aldakorra baita, eta ardatzaren biratze-mugimendua eragiten du.

Gaur egun lurrun-turbinen erabilerarik garrantzitsuena elektrizitatearen sorkuntza da, zentral termoelektrikoetan, nuklearretan, geotermikoetan, ziklo konbinatuetan eta abarretan integratuta. Industriako beste lurrun-sistemetan ere aplikazioa dute, eta turbinen potentzia-tartea kW batzuetatik ehunka MW-erainokoa da.

Lurrun-turbinen garapenean hiru aldi bereiz ditzakegu. XX. mendearen hasieratik 60ko hamarkadara arte, lurrun-turbinen potentzia handituz joan zen, baita erabilitako lurrunaren presioa eta tenperatura ere. Aitzitik, hortik aurrera ahaleginik gehienak makina hauen errendimendua eta fidagarritasuna hobetzeko egin dira. Azken hamarkadan, lurrun-turbina osatzen duten elementurik gehienak zehatz aztertu dira, eta bakoitzaren diseinua hobetu egin da, errendimendu handiagoak lortzeko.

Deskribapena eta funtzionamendua

Irudian, erdi-mailako potentziako kondentsaziozko lurrun-turbina axial baten ebakidura agertzen da, baita turbina osatzen duten oinarrizko elementuak ere.

Kondentsaziozko lurrun-turbina axialaren ebakidura (iturria: Press Picture Siemens AG, Energy Sector)

Turbinaren errotorea disko batzuk dituen ardatza da. Diskoen kanpoaldean beso motorrak daude, koroa mugikorrak osatzen dituztela. Ardatza kojineteen gainean biratzen da. Turbinaren gorputzean edo estatorean koroa finkoak osatzen dituzten beste beso-talde batzuk daude. Errotoreko eta estatoreko koroa-bikote bakoitzak maila edo etapa bat osatzen du eta turbinaren barruan maila bat edo gehiago egon daitezke.

Maila bakoitzaren barruan lurruna zabaldu egiten da, eta fluidoaren energia termikoaren lepotik ardatzaren biratze-energia mekanikoa lortzen da. Zabalkuntza-prozesua fase bitan gertatzen da: lehenik, lurruna estatoreko beso finkoetatik pasatzen da, presioa (entalpia) galdu eta abiadura (energia zinetikoa) irabaziz. Gero, lurrunak beso mugikorretan jotzen du, eta turbinaren ardatza birarazten du.

Lurrun-turbina osatzen duten sistema eta osagarrien ezaugarri garrantzitsuenak hurrengo hauek dira:

• Besoak: lurrunetik hartzen duten energia errotoreko koroara transmititzea dute helburu. Besoen altuera eta mailen diametroa gero eta handiagoa da, lurrunaren bolumen espezifikoa ere handituz doalako. Kasu edo aplikazio bakoitzeko ezaugarrien arabera, besoaren forma geometrikoa ezberdina izaten da eta, itxuraz sinpleak izan arren, haien diseinu- eta fabrikazio-prozesuak oso konplexuak dira.

• Errotorea: besoekin batera, errotorea turbinaren osagairik kritikoena da, tentsio handienak jasaten dituena. Pieza forjatu bakar batekoa (monoblock) edo segmentu soldatuz osatua izan daiteke.

• Kojineteak: errotoreari, alde bietan, kojineteek eusten diote. Mota bitakoak dira: erradialak eta axialak, indarra ardatzarekiko paralelo edo zut jasateko diseinatuta daude. Indar axiala oso garrantzitsua da, erreakzio-turbinetan batez ere, koroa mugikor bakoitzaren alde biak presio ezberdinetan daudelako.

• Gorputza (edo karkasa): tobera eta beso geldikorren erreakzio-indarrak eta tenperatura-aldaketen ondorioz sorturiko zabalkuntza eta konpresioa jasateko diseinatzen da. Altzairu urtuz egin ohi da eta haren forma geometrikoa sinplea eta simetrikoa izaten da. Lurrunaren irteera-hodia gorputzarekin bat eginda egon daiteke (pieza bakarra), edo karkasari soldatutako beste pieza bat izan daiteke.

• Estankotasun-labirintoa: errotorearen atzean lurrun-ganberaren estankotasuna lortzeko erabiltzen da. Labirintoa bitarte eta zulo askoz osatuta dago eta ihes egindako lurruna honaino heltzen da. Bitarte bakoitzean presio-energia energia zinetiko bihurtzen da eta, ondorioz, lurrunaren bolumena handitzen da eta ihes egingo duen emaria mugatzen du.

• Lubrifikazio-olioaren sistema: helburua turbinaren kojinete eta errodamenduetara presio eta tenperatura egokiko olioa eramatea da, marruskadura eta berotzearen ondorioz kalterik gerta ez dadin. Sistemaren oinarrizko osaera honakoa da: olio-biltegia, maila-adierazgailua, ponpa, hozkailua eta hustuketa-balbula.

• Erregulazio- eta kontrol-sistema: turbina-mota eta funtzionamendu-era kasu bakoitzean nolakoak diren, erregulazio-sistemak helburu desberdinak ditu: biratze-abiadura konstante mantentzea, lurrun-kontsumoa konstante mantentzea, irteten den eta erauzten den lurrunaren presioa konstante mantentzea, alternadorearen gainkarga galaraztea, sarera esportaturiko potentzia elektrikoa mugatzea eta abar. Erreguladoreak mekanikoak, hidraulikoak edo elektronikoak izan daitezke. Gaur egun, azken mota hori da erabiliena eta kontrola mikroprozesagailuen bidez egiten da.

Lurrun-turbina axialaren errotorea besoekin batera (iturria: Press Picture Siemens AG, Energy Sector)

Motak

Lurrun-turbinak sailkatzerakoan ikuspuntu ohizkoenak kontuan hartuz, hurrengo motak bereizten dira:

Besoak kontuan hartuta edo lurrunaren zabalkuntza-prozesua non gertatzen den, mota bi bereizten dira: bulkada edo akziozkoa, zabalkuntza osoa beso finkoetan gertatzen bada, eta erreakziozkoa, zabalkuntzaren parte bat estatorean eta bestea errotorean gertatzen direnean.

Lurrunak makina zeharkatzean duen mugimendua turbinaren ardatzaren norabidean edo ardatzetik kanporanzkoa izan daiteke, hau da, turbina axiala edo erradiala denaren arabera, hurrenez hurren.

Lurrunak irteeran duen presioa presio atmosferikoa baino txikiagoa denean, turbina kondentsaziozkoa dela esaten da, eta handiagoa denean, kontrapresiozkoa. Halaber, turbina osoa zeharkatu aurretik makinan lurruna atera edo sartzen bada, erauzte-turbina eta indukzio-turbinak ditugu, hurrenez hurren.

Lurrun-turbinen oinarrizko ziklo ideala. Errendimendua

Lurrun-turbinen azterketa energetikoa egiteko, Rankineren zikloa erabili ohi da.

Rankineren zikloa osatzen duten gailuak

Ziklo ideal hau lau gailuren bidez burutzen da eta bakoitzari honako prozesuak dagozkio:

• 2-5: uraren lurrunketa isobarikoa, galdaran $q_G=h_5-h_2$ beroa hartuz.

• 5-6: lurrunaren hedapen isoentropikoa, lurrun-turbinan $w_T=h_5-h_6$ lana eginez.

• 6-1: lurrunaren kondentsazio isobarikoa, kondentsadorean $q_K=h_6-h_1$ beroa galduz.

• 1-2: elikadura-uraren ponpaketa isoentropikoa, ponpak egindako $w_P=h_2-h_1$ lanaren lepotik.

Ondoko irudian, Rankineren zikloaren irudikapena agertzen da T/s (tenperatura-entropia) diagraman.

Rankineren zikloari dagokion prozesu-segida, T-s diagraman

Galdarako 2-5 lurrunketa-prozesuan hiru zati bereizten dira. 2-3 ura fase likidoan berotzen da galdarako asetasun-tenperaturara heldu arte, 3-4 uraren lurrunketa eta 4-5 lurrunaren gainberotzea.

Rankineren zikloaren errendimendu termikoa lortutako lan netoaren $\left(w_n=w_T-w_P\right)$ eta urari galdaran emandako beroaren arteko erlazioa da:

${\eta }_t=\frac{w_n}{q_G}=\frac{w_T-w_P}{q_G}=\frac{(h_5-h_6)-(h_2-h_1)}{(h_5-h_2)}=1-\frac{q_K}{q_G}$

Ziklo ideal honen errendimendua hobetzeko, definizioan parte hartzen duten parametroak alda ditzakegu. Adibidez, lurrunaren sorkuntza-presioa (galdarakoa) handitu, galdarako irteeran lurrun gainberotuak duen tenperatura igo edo kondentsadoreko tenperatura gutxitzea. Aldi berean, zikloan aldaketa batzuk ere egiten dira helburu hau lortzeko, hala nola bitarteko birberokuntzazko zikloa (zabalkuntza turbina bitan egiten da eta bien artean lurruna birberotzeko galdaratik pasarazten da) edo aurreberokuntza birsortzaileko zikloa (turbinatik zabalkuntza osoa egin gabe dagoen lurrun-kantitate bat ateratzen da galdarako elikadura-ura aurrez berotzeko).