Álabes para turbinas

El Dr. Werner Stamm, director de investigación de materiales de Siemens Power Generation en Mülheim (Alemania), es el responsable del desarrollo de recubrimientos protectores para los álabes de las turbinas de vapor y de gas. Stamm tiene en su haber 52 patentes y el título de "Inventor del Año 2006". Sus recubrimientos ayudan a hacer álabes de turbinas de gas más resistentes al calor y a la corrosión.

Uno de los ingredientes utilizados por Stamm en sus recubrimientos es el renio, un metal raro caracterizado por un punto de fusión muy alto y alta densidad. La adición de un 2% de renio a una mezcla de cobalto, níquel, cromo, aluminio e itrio (En los llamados recubrimientos MCrAlY) le imprime a la mezcla unas propiedades extraordinarias.

A altas temperaturas, la mezcla forma una barrera de óxido de aluminio en la superficie MCrAlY que protege los álabes de la turbina del oxígeno que puedan contener los gases calientes de la combustión. El renio mejora las propiedades mecánicas de la capa protectora y al mismo tiempo evita que el aluminio se difunda en el material de base. El recubrimiento impide que el material de base se oxide. Sin él, la aleación de níquel de los álabes sólo sobrevive 4.000 horas a temperaturas de funcionamiento máximo. Una vez recubiertos los álabes, sin embargo, la aleación puede resistir al oxígeno más de 25.000 horas, más de lo necesario en una central eléctrica.

El recubrimiento de Stamm, que tiene tan sólo 300 micrómetros de espesor, también tiene otra función: servir como agente adhesivo para capas cerámicas de aislamiento térmico. Para una temperatura de los gases de aproximadamente 1.500 °C, este sistema compuesto de agente adhesivo y recubrimiento cerámico, en relación con un álabe refrigerado por chorros de aire desde el interior, reduce la temperatura de la superficie del metal en la primera fila de álabes de 1.200 a alrededor de 950 °C.

La adquisición de Westinghouse por parte de Siemens ha dado un nuevo impulso al desarrollo de materiales a base de óxidos cerámicos. Otras empresas del sector están optando por un material a base de carburo de silicio, con una estructura y propiedades similares a las de los diamantes.

Sin embargo, los álabes construidos con materiales cerámicos necesitan reforzarse si van a sobrevivir, al menos, las 25.000 horas de operación que los clientes demandan de ellos. El Dr. Ulrich Bastet de Siemens Corporate Technology en Munich, junto con sus colegas en Orlando, Florida, han desarrollado álabes de cerámica reforzada con fibras. Las fibras proporcionan una gran resistencia a la fatiga y mantienen intacta la cerámica, aunque tenga algunas grietas.

Los álabes cerámicos resisten temperaturas de hasta 1.700 °C, por lo que no necesitan refrigeración.

EON planea comenzar la construcción de una nueva generación de centrales térmicas de carbón en 2014 (Generación 50plus), que permitirá alcanzar una eficiencia superior al 50%. Siemens está trabajando en el desarrollo de componentes para varios proyectos preliminares. En el centro de generación de energía Scholven cerca de Gelsenkirchen, Alemania, el proyecto COMTES700 está poniendo a prueba materiales para la construcción de calderas, tuberías y turbinas que puedan trabajar con una temperatura de vapor de 700 °C.

Esta alta temperatura permitirá a las nuevas centrales dar el salto en la eficiencia desde el 46% de hoy en día hasta el 50%. Sin embargo, las altas temperaturas por sí solas no serán suficientes, también se necesitan buenas condiciones de refrigeración, como las que se encuentran en las aguas del Mar Báltico. En un estudio conocido como NRWPP700, varias empresas entre las que se encuentra Siemens, están diseñando una planta de demostración cuyos componentes puedan soportar temperaturas de vapor de 720 °C.

Mientras que 720 °C podría sonar casi refrescante en comparación con las temperaturas infernales del interior de una turbina de gas, las exigencias en las etapas de media y alta presión de las turbinas de vapor son, sin embargo, enormes. En una turbina de vapor, además de las altas temperaturas, también se ha de soportar una presión de 250 atmósferas, cosa que en las centrales 50plus de EON, probablemente aumentarán hasta las 350 atmósferas. En comparación, una turbina de gas normal funciona a una presión de 25 atmósferas, o menos.

Los ingenieros que construyen las nuevas turbinas de vapor han de afrontar grandes retos. Los ejes de acero forjado de una turbina de vapor de gran potencia pueden llegar a tener hasta un metro de diámetro, y algunos de sus componentes pueden llegar a pesar más de 20 toneladas. Con todo, la tolerancia de montaje y funcionamiento de los componentes de las turbinas es de unas centésimas de milímetro. Han de realizar soldaduras con una anchura de costura de 20 Cm, con técnicas totalmente nuevas, que además exigen métodos de control de calidad innovadores, ya que ni los rayos X, ni los ultrasonidos pueden penetrar en estas piezas tan gruesas.

La forja y fundición de estas grandes piezas exige el uso de nuevas aleaciones, que resultan ser cinco veces más caras que los aceros aleados.