TURBINA TURB INA LAVAL LAVAL HISTORIA 1883 se se inventó la turbi turbina na de vapor , que probablemente Carl Gustaf Patrik De Laval en 1883 añadida tanto a su fama como lo hizo el separador de crema. Aunque dos grandes De aval, invenciones fueron el separador de crema ! la turbina de vapor, ten"a muchas invenciones menores en su haber. #on el fin de determinar el porcenta$e de grasa de mantequilla en la leche inventó el lactocrite lactocrite que que era pr%ctico pero que pronto fue sustituida por la prueba m%s simple descubierto por el Dr. &abcoc'. &abcoc'. De ava avall cons constr tru! u!ó ó una una f%br f%bric ica a en (sto (stoco colm lmo o en el que que para para la fabr fabric icac ació ión n de incandescente, ! l%mparas de arco voltaico. )l inventó el emulsionante centr"fuga ! patentado un ordeñador mec%nico en 18*+. )l planeó construir la maquinaria a utilizar la energ"a del agua que es tan abundante, en uecia, pero dio esto cuando se encontró con que el gobierno afirmó que todos los derechos de agua. -ientras De aval dedicado la ma!or parte de su tiempo ! todos sus recursos a las invenciones, l tambin estaba interesado en los asuntos p/blicos.
DEFINICIÓN (l motor aval es una turbina que utiliza directamente la fuerza viva del vapor0 pero diferenci%ndose esencialmente de los aparatos del mismo gnero, como !a hemos dicho, en que el vapor llega a efectuar su traba$o completamente epansionado ! no e$erce su esfuerzo sobre los dientes o paletas del disco, sino como consecuencia de la velocidad adquirida en esta previa epansión . (n ella el vapor entra por unas toberas de admisión en las cuales se epansiona. u epan e pansi sión ón si sign gnifific ica a un una a ca ca"d "da a de pr pres esión ión gr grad adual ual en la to tobe bera ra ac acom ompa paña ñada da de un considerable aumento de volumen ! de velocidad. 2odemos hacernos una idea de que en la epansión el volumen se ve incrementado en .454 veces su volumen de entrada.
a co corr rrie ient nte e de va vapo porr a al alta ta ve velo loci cida dad d qu que e flflu! u!e e ! sa sale le de la lass to tobe bera ras, s, in inci cide de convenientemente dirigida sobre la /nica rueda de %labes móviles calada sobre el e$e que tiene esta turbina. 2uede observarse el perfil simtrico de estos %labes de acción. a rueda de %labes que es solidaria al e$e, hace girar a este obtenindose una potencia disponible. (l vapor que pasa por los %labes finalmente sale por el escape.
Fiura ! a disposición general del aparato la enseña la fiura !., en la cual se representa como si fuera transparente la envuelta met%lica de la turbina.
e compone en principio de un disco con e$e horizontal, provisto en la proimidad de su contorno de dientes o paletas inclinadas, sobre las cuales el vapor obra despus de haber sido conducido a una especie de anillo, del cual parten los tubos que vienen a morir en el contorno del disco, conforme se ve en la fiura !.
Fiura "
(l trazado interior de estos tubos est% de tal modo hecho ! calculado, que el vapor se epansiona completamente en el tra!ecto que efect/a desde las v%lvulas de admisión hasta las paletas del disco. Adquiere as" en su epansión una velocidad considerable representada por 1444 a 144 metros por segundo, la cual se comunica al disco gracias a la inclinación dicha de las paletas0 sale por el otro lado, habiendo perdido casi toda su velocidad, a la c%mara de escape, puesta en comunicación, !a con la atmósfera, bien con el condensador.
(n razón de la considerable velocidad adquirida por el vapor epansionado, el disco toma a su vez una velocidad de rotación que llega en algunas turbinas hasta 34.444 revoluciones por minuto0 ! dicho se est% que no pudiendo en la pr%ctica utilizarse directamente velocidad tan crecida, se ha debido asociar a esta turbina un reductor formado por un doble par de ruedas de engrane con dientes, inclinados +56 en un sentido para el primer par ! en el otro para el segundo, oponindose as" con ellos, adem%s, mediante esta disposición, a los movimientos longitudinales del e$e. obre este e$e de las ruedas de engrane grandes, es sobre el que se asocia la armadura de la dinamo. 7n regulador de velocidad est% montado sobre el e$e que soporta las grandes ruedas estriadas del reductor ! obra sobre la v%lvula de admisión.
Fiura # a fiura # muestra las diferentes partes de que el regulador est% compuesto. #on el n/mero 8 se designan las dos piezas anulares que, sometidas a la acción de la fuerza centr"fuga, originan por su especial disposición el avance del pasador en los momentos calculados !, en su consecuencia, el movimiento en la v%lvula a la que este efecto se trasmite. #on el n/mero * designase el muelle espiral, moderador de los efectos ocasionados por las piezas 8. a ca$a o cuerpo del regulador se representa en el n/mero 14, siendo el pasador el 11, ! el 1 el tapón, por medio del cual la espiral regula el aumento o la disminución de la velocidad.
Fiura $
7na ligera idea de su colocación ! coneiones con la v%lvula, se ofrece en la fiura $, en la cual, A es la espiga del regulador, ! en B arranca la palanca que se relaciona con la v%lvula. Dicho se est% que la representación del grabado se refiere al caso de estar la turbina parada, ! por tanto, eistiendo entre la espiga ! la palanca la holgura que se observa en la figura. a colocado al etremo del e$e del engrana$e, ! tiene de esta manera en las m%quinas de 5 caballos una velocidad de 3444 revoluciones por minuto. #uando la m%quina empieza a marchar, los pesos tienden a separarse0 tendencia que tiene por misión combatir o contrarrestar el muelle espiral al efecto dispuesto. Al llegar a 3444 las revoluciones por minuto, se establece el equilibrio entre la fuerza centr"fuga, que hace abrirse o separarse los pesos !a nombrados, ! la fuerza o presión del muelle espiral que la dificulta0 en este estado, el aumento nada m%s de un 1 por 144 en la velocidad, basta para que el predominio de una sobre otra haga sensible el mecanismo de la v%lvula del regulador por el intermedio del $uego de la palanca en el grabado dibu$ada, produciendo as" el efecto que se busca.
a fiura %, representa todos los diversos elementos de que estas m%quinas est%n compuestas ! el nombre tcnico con que se distingue cada pieza, cu!o relevo o sustitución, en caso de aver"a, es sumamente f%cil ! r%pido. a fiura " completa la instrucción acerca de este ingenioso aparato, que re/ne, a la indiscutible venta$a de una notable sencillez de construcción ! mane$o, la de ser su peso ! volumen notoriamente reducidos. 2or lo que a la duración de estas modernas m%quinas se refiere, no eiste un largo per"odo de prueba o ensa!o, suficiente para evidenciarla. 2ero si en consideración se tiene la falta de barras, v%lvulas, v%stagos, inversiones de movimientos ! dem%s complicados medios en ellas eliminados, ! a esto se une lo f%cilmente que se reemplazan las pocas ! sencillas piezas de que el aparato se compone, no ha! razón alguna para creer quede, ba$o este punto de vista, la turbina aval en orden inferior o de demrito con respecto a los dem%s motores de crecida velocidad. 9erminaremos estas ligeras noticias anotando algunos datos relativos al consumo de vapor por caballo ! hora, en los tipos m%s usuales, ! siempre en el bien entendido de que si en todas las m%quinas el traba$ar con presión elevada ! utilizando la condensación aporta señalada econom"a, en la turbina aval constitu!e la verdadera forma razonable de emplearlas, desde el momento que el gasto de agua ! carbón sea un factor a tener en cuenta en la eplotación. :ecientemente ha sido ensa!ada la turbina de 344 caballos, que, traba$ando con vapor a la presión de 13,5 'ilogramos por cent"metro cuadrado, ha llegado con condensación a la cifra económica de consumo de ;,33 'ilogramos de vapor por caballo efectivo ! hora.
Fiura %
A. %. C. &. E. ). *.
Eje #e$ible. &is"o de turbina. Pi'(n de engrane. Cojinete de punta. !ubo de engrase. Cojinete intermedio. Cojinete de seguridad. +. Cojinete es,-ri"o. . %oquilla de vapor. /. Caja de empaquetadura.
K. Caja de empaquetadura. L. Llave espiga de boquilla. M. Engranaje. N. Eje de engranaje. O. Cojinete de engranaje. P. Anillo de engrase. Q. Regulador. R. Polea. . !uer"a de seguridad.
CONSU&O DE VAPOR POR CABALLO EFECTIVO ' HORA DE LA TURBINA LAVAL
FUER(A EN CABA LLOS EFEC TIVOS
NU&ERO DE REVOLU CIONES DEL DISCO
NU&ERO DE REVOLU CIONES DEL ENGRA NA)E
5
3844
4
PRESIÓN DE AD&ISIÓN EN AT&ÓSFERAS *
+
!,
!"
SIN CONDEN SACIÓN
-! C& DE VACIO
., C& DE VACIO
SIN CONDEN SACIÓN
-! C& DE VACIO
., C& DE VACIO
SIN CONDEN SACIÓN
-! C& DE VACIO
., C& DE VACIO
SIN CONDEN SACIÓN
-! C& DE VACIO
., C& DE VACIO
3444
1.4
15.8
1+.+
4.3
15.5
1+.3
1*.8
15.8
1+.
18.4
1+.8
1+.4
1*844
444
1*.
11.1
*.*
18.;
14.*
*.<
18.1
14.8
*.
1<.+
14.5
*.+
54
1;+44
1544
1<.4
*.8
8.<
1;.5
*.;
8.;
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15.
*.
8.3
<5
1;;44
154
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*.8
8.<
15.5
*.;
8.;
15.1
*.5
8.+
1+.8
*.
8.3
144
1344
1454
1;.4
*.1
8.3
15.5
8.*
8.1
15.4
8.8
<.*
1+.3
8.5
<.8
TURBINA CURTIS a turbina #urtis es una turbina de acción con escalonamientos de velocidad, ! cuando por primera vez fue construida, presentaba como caracter"sticas principales una disposición vertical ! un n/mero reducido de escalonamientos de presión, inferior a cinco, cada uno de los cuales estaba subdividido en dos o tres escalonamientos de velocidad, constitu!endo as" una turbina mita. a disposición vertical ocupaba un espacio m"nimo, presentando algunas venta$as desde el punto de vista de desgaste de co$inetes, equilibrado, etc, pero la disposición actual es horizontal, ! los escalonamientos de velocidad se limitan a la primera rueda de alta presión, !a que en las turbinas de vapor de acción de pequeña ! media potencia, como el salto ent%lpico asignado al primer escalonamiento de acción resulta ecesivo, se sustitu!e por un doble escalonamiento #urtis que permite la admisión parcial de vapor0 a esta corona #urtis se la conoce como corona de regulación, !a que en ella se verifica la regulación cuantitativa del flu$o de vapor de la turbina. (n las turbinas de vapor de gran potencia, que disponen de regulación por admisión parcial, se instala un escalón en cabeza que cuenta con una rueda #urtis con o m%s etapas de velocidad. =riginalmente, las etapas habituales de %labes de acción se dispon"an sobre un /nico disco !, entre ellas, un distribuidor siempre de %labes cil"ndricos, que sólo orientaba la vena de vapor. 2osteriormente se pasó de los primitivos %labes simtricos a los %labes asimtricos con igual %ngulo de salida. (n la actualidad el efecto de la rueda #urtis se puede reducir a una simple rueda de acción, >una sola etapa de velocidad?. (l ob$etivo actual de la rueda #urtis de corona /nica, radica en facilitar la regulación por admisión parcial , acortando la epansión a completar por los escalones siguientes >abaratando su coste? (l ma!or inconveniente de la rueda #urtis es la erosión, que se minimiza con una adecuada tecnolog"a constructiva0 otros inconvenientes que plantea la #urtis aguas aba$o de su propio escalonamiento, son las estelas de vapor que producen los %labes de la rueda tras sus bordes de fuga, debido a que la velocidad del vapor, en la #urtis, es ligeramente inferior a la velocidad del sonido en ese medio. i en la turbina de vapor no se prev tras la #urtis un espacio amplio bien diseñado >c%mara de homogeneización o mezcla?, las estelas llegan a incidir en el primer escalonamiento de reacción, induciendo as" vibraciones en el cuerpo de A2, que pueden ser mu! peligrosas. De hecho se han registrado, durante la puesta en servicio de grupos de gran potencia, aver"as graves con regulación por admisión parcial, destacando entre las m%s recientes la rotura de la soldadura entre el cuerpo del %labe ! su corona de punta, origin%ndose deterioros adicionales en otros puntos de la unidad.
(ste escalonamiento est% constituido por un con$unto circunferencial de toberas, en el estator, ! por una rueda de acción >actualmente de una etapa? en el rotor, que se agrupan normalmente en varios bloques unidos entre s" por soldadura. os escalones posteriores, sean de acción o de reacción, se componen con elementos distribuidores de un amplio rango de tipos, que se reducen a %labes fi$ados en ranuras previstas en los porta%labes o en la propia carcasa. i la relación cinem%tica a la entrada ξ1 est% por deba$o de su valor óptimo, para un valor dado de la velocidad
c1
obtienen velocidades de salidas
, se c2
elevadas, tanto ma!ores cuantas m%s pequeñas sea ξ1, >a la parte contraria a c1 en los tri%ngulos de velocidades?, u
es decir@
c1
↓⇒
c2
↑.
2ara aprovechar una parte de esta energ"a a la salida de los %labes, se dispone de un distribuidor de %labes gu"a a continuación de la primera corona móvil, desviando el chorro de vapor e introducindole en una segunda corona móvil, obtenindose as" una turbina de acción con dos escalonamientos de velocidad, ig BB.140 la epansión completa del vapor se produce en la tobera, mientras que en los %labes, tanto en los de las coronas móviles, como en los fi$os del distribuidor, no se produce ca"da de presión, salvo prdidas de carga por rozamiento. i la energ"a del vapor a la salida de esta segunda corona móvil, fuese todav"a elevada, se podr"a disponer a continuación de un nuevo escalonamiento de velocidad, ! as" sucesivamente, aunque por las razones que epondremos m%s adelante, el n/mero de escalonamientos de velocidad suele ser de dos o tres como m%imo.
(l rendimiento de una turbina #urtis es inferior al de coronas simples, pero las prdidas por rozamiento de los discos son m%s reducidas, por cuanto la rueda #urtis no lleva m%s que un solo disco0 estas prdidas mec%nicas son proporcionales al peso espec"fico del vapor, por lo que en aquellas turbinas de escalonamientos m/ltiples de presión >acción ! reacción?, la turbina #urtis va colocada siempre en cabeza, a la entrada del vapor procedente del recalentador. 2ara una turbina #urtis de dos coronas ! una relación cinem%tica, C1 4,, la primera corona genera un 84E de la potencia total, ! la segunda el 4E restante. i la relación cinem%tica fuese, C1 4,85, la primera corona generar"a aproimadamente un *5E de la potencia total, ! la segunda el 5E restante. i se estudia la gr%fica de rendimientos, ig BB.13, para una, dos ! tres coronas, se puede reconocer la zona en que una turbina de un determinado n/mero de coronas, es m%s venta$osa que otra. #omo el factor económico es fundamental a la hora de diseñar ! construir una turbina, stas deben fabricarse para relaciones cinem%ticas C lo m%s ba$as posibles.
Fig II.13.- Rendimiento de una turbina Curtis para:
OPERACIÓN/ a igura 1.; ilustra las transformaciones en una turbina #urtis de dos etapas, cada una de las cuales consta de una rueda de toberas fi$as ! una rueda de %labes móvil@ as entradas ! salidas de las ruedas se han numerado con los "ndices 11, 1 ! 1, . Fotar que las velocidades relativas G son constantes en las ruedas móviles, como corresponde a una turbina de acción, !a que la presión no cambia en las ruedas móviles. Al ser una turbina tipo #urtis, la presión tampoco cambia en la segunda rueda fi$a, !a que lo que se escalona es la velocidad absoluta. (n la primera rueda móvil la velocidad absoluta sólo cae parte del total, ! cae el resto en la segunda rueda móvil. a igura ;.* ilustra un diseño teórico de una turbina #urtis de dos etapas@
TURBINA RATEAU (l francs :ateau constru!e en 18*4 un tipo de turbina de acción, tangencial, ig BB.1+, que transforma en turbina compound con dos escalonamientos de presión.
2osteriormente subdivide el salto trmico utilizado por la m%quina en un gran n/mero de escalonamientos de presión, dando lugar a la turbina :ateau multicelular, que a pesar de ser de acción, se la dota de un ligero grado de reacción en los /ltimos escalonamientos, a fin de aumentar la velocidad de paso ! salida del vapor ! la consiguiente disminución de la altura de los %labes0 el primer rodete de alta presión es de tipo #urtis, ! lleva dos escalonamientos de velocidad.
OPERACIÓN/ a igura ;.1 ilustra las transformaciones en una turbina :ateau de tres etapas. e nota que la ca"da de presión ! de entalp"a se ha dividido entre las tres ruedas fi$as, ! la velocidad absoluta sube en cada rueda fi$a@
TURBINA (OELL' a turbina Hoell! >1*43? es una turbina de acción con escalonamientos m/ltiples de presión en n/mero no superior a 14 ! monta$e unicelular de los disco, ! longitud reducida con un m"nimo de prdidas intersticiales en el $uego entre e$e ! diagramas, fiura!0
Fiura !0 (squema de una turbina Hoell!, 3.5 -G, 3444 rpm. (n condiciones de traba$o normales una central trmica utiliza vapor recalentado a elevada presión ! temperatura, lo que implica que el salto adiab%tico total puede ser del orden de 44 a 344 IcalJ'g, proporcionando velocidades absolutas#1 del orden de 1344 a 1;44 mJseg0 si se utiliza una turbina de acción de una sola corona, la velocidad perifrica 7 podr"a llegar a ser del orden de ;54 a 844mJseg, pero no conviene sobrepasar de los +44 mJseg, por lo que ha! que disminuir la velocidad absoluta del vapor para obtener un buen rendimiento, aparte de eliminar los problemas tcnicos originados por las citadas velocidades que ser"an incompatibles con la resistencia mec%nica de las coronas. 2ara ello se procede a repartir el salto total en varios escalones, de forma que encada uno de ellos se traba$e /nicamente con una fracción de dicho salto total disponible ! de esta forma, para un n/mero conveniente de escalones de presión se pueda disminuir la velocidad del vapor sin disminuir el rendimiento. (n las turbinas Hoell!, que son totalmente de acción, las epansiones sucesivas del vapor se producen en las toberas con lo que la presión va disminu!endo escalonadamente hasta que a la salida de la /ltima corona se alcanza la presión del condensador. (n cada turbina de acción se tiene que cumplir el que no eista diferencia de presiones entre una ! otra cara de los rodetes, por cuanto solo habr% diferencia de presiones en las toberas0 en consecuencia, en este tipo de turbinas no e$iste te%riamente empu&e a$ial.
Fiura "0 (squema de los escalonamientos de una turbina Hoell!.
2ara mantener la velocidad perifrica 7, dentro de unos valores admisibles, ha! que fraccionar convenientemente el salto de entalp"a. e considerar% uno cualquiera de estos escalonamientos ! supondremos que el mismo se realiza entre los estados intermedios i ! $0 la velocidad de entrada del vapor en la tobera del citado escalón es la c4i, que no va a ser nula o despreciable, como suced"a en la turbina simple de acción, sino que habr% que tenerla en cuenta !, por lo tanto, de acuerdo con la Fiura $, se tendr%, para el salto ent%lpico >ii K i$? una diferencia de presiones, >pi K p$?.
Fiura #0 Diagramas de presiones ! velocidades.
Fiura $0 (scalonamiento intermedio de presión.
