Turbina de vapor De Laval

En el libro "Las turbinas de vapor y de gas", Giuseppe Belluzzo, Casa Editorial Bailly-Bailliere S.A., Madrid, 1927, se describen muchos tipos de turbinas de vapor, entre otras de la de De Laval.

La turbina De Laval es una turbina de acción, axial y parcial. Los distribuidores, que tienen el característico perfil ideado para el caso por De Laval y sólo más tarde estudiado teóricamente, son de sección circular y están dispuestos simétricamente respecto á la rueda y de un lado de ella, como indica en esquema la figura 200 a y en perspectiva la 200 b. La necesidad de limitar el trabajo y de tener ruedas ligeras, con el objeto que más adelante diremos, han llevado al constructor á ruedas de pequeño diámetro que dan un número elevadísimo de vueltas, reducido de 1/13 á 1/8, según la potencia de la turbina, mediante un tren de engranajes.

El tren de engranajes está formado por un piñón y, generalmente, dos ruedas dentadas que tienen una dentadura helizoidal (inclinación 45°), dividida en dos partes y con los respectivos dientes simétricos respecto al plano medio, con objeto de evitar empujes axiales. El piñón es del mejor acero y las ruedas del mejor bronce.

En el siguiente cuadro se recogen las velocidades periféricas, los números de vueltas y el diámetro de las ruedas para diversas potencias en caballos:

La forma del distribuidor y cómo tiene lugar la admisión del vapor en él está indicado bastante claramente en la figura 201. La longitud de los tubos de inyección depende de la relación entre las dos secciones extremas: el de la turbina de 300 caballos tiene los diámetros extremos de 8 y 32 milímetros y su longitud de cerca de 150 milímetros.

La figura 202 representa la sección de la rueda móvil de la turbina de 100 á 150 caballos; es un disco de acero del más resistente (acero al cromo ó al níquel), cuyo perfil está determinado siguiendo las ideas que ahora diremos y sobre cuya periferia a hay hechas (Fig. 203) acanaladuras b dentro de las que entran forzadas las paletitas c de acero.

Las paletas, estampadas y cuidadosamente repasadas con el fresado antes de montarse, tienen una altura (dimensión en el sentido del eje de la turbina) constante de 10 milímetros, cualquiera que sea el diámetro de la rueda; una longitud que depende de este diámetro y que, en función de él, puede con gran aproximación expresarse como D/20 + 8 mm. Su distancia (paso) medida sobre el borde de la rueda varía de 8 á 10 milímetros. La rueda de 5 caballos tiene 40 paletas y 200 la de 100 á 150.

El sistema de unión ideado por De Laval es uno de los poquísimos, si no el único posible, dada la facilidad con que se puede recambiar eventualmente cualquier paleta, ante la fuerza centrífuga que solicita á éstas en el sentido del radio.

Si suponemos que una paleta de la rueda D° 500 pesa 15 gramos, y recordamos que la velocidad de máximo rendimiento de tal rueda es de 340 metros por segundo, podemos calcular la fuerza centrífuga que tiende á arrancar esta paleta de la rueda. Será, en kilogramos:

0,015/9,81 x 340/0,25 = 710 kilogramos.

En estas turbinas, el ángulo α es de unos 20°.

Con un número de vueltas tan elevado como tiene lugar en la turbina De Laval, debió preocupar muchísimo el centrado de la rueda en el árbol. Ante la dificultad casi insuperable que presentaba el hacer coincidir exactamente el baricentro de la rueda con el eje de rotación, De Laval abandonó el sistema rígido y empleó, muy ingeniosamente, un árbol flexible; la rueda móvil está montada entre las dos mitades de un árbol delgado y unida á él por medio de platillos (fig. 202) ó con otros sistemas fáciles de imaginar.

Así, el árbol de la rueda de 5 caballos, indicado en la figura 204, tiene 6,5 milímetros de diámetro; el de la turbina de 100 á 150 caballos, 20 milímetros.

Veamos la ventaja del árbol flexible en tal caso. Sea A B (fig. 205) un eje flexible, sujeto en sus extremos A y B, y G el centro de gravedad del sistema giratorio. La mecánica, acerca de esto, enseña: 1.° En la rotación de un cuerpo alrededor de un eje no hay sacudidas si dicho eje es el principal dé inercia del sistema. 2.° Existe una velocidad, llamada por el profesor Föppl velocidad crítica, bajo la cual el centro de gravedad G del sistema coincide con el punto C. 3.° Si la velocidad angular del eje es superior á la crítica, cuanto mayor es la relación entre estas dos velocidades tanto más se acerca el centro de gravedad G al eje de rotación A O B, que resulta eje principal de inercia del sistema giratorio.

Como ya se ha visto en la figura 201, cada distribuidor está provisto de una válvula, con la cual se puede variar ó cerrar su sección mínima, efectuándose la regularización á mano. Automáticamente se hace siguiendo el segundo de los métodos generales, esto es, estrangulando más ó menos el vapor de admisión.

El regulador está montado en la extremidad del eje accionado por la turbina, y las partes que lo componen están representadas en la figura 208 en vista y en la 209 en sección, juntamente con los órganos que transmiten sus variaciones á la válvula de contracción.

La pieza 10 (figs. 208 y 209) está unida al eje por medio de la parte cilindrica E que se introduce en el cincho K; contra ella se apoyan dos medios manguitos 8 (figs. 208 y 209), provistos cada uno de un apéndice, en el que encuentra colocación conveniente un pequeño tope. Contra estos dos topes actúan, por medio de una especie de embolo D (figura 209), provisto de un vastago 11 (figs. 208 y 209), uno ó dos muelles cilindricos mantenidos fijos en el otro extremo por el tapón 12 atornillado en la parte cilindrica de la pieza 10. Lo que sucede se comprende fácilmente: la fuerza centrífuga tiende á hacer girar los medios manguitos alrededor de la línea 14 que les sirve de apoyo contra la base 13 de la repetida pieza 10, empujando éstos hacia la derecha al émbolo D, el vastago 11 y, por consiguiente, por medio de un manguito M, el brazo L de una palanca angular que, como indica la figura 210, acciona una válvula de admisión de doble asiento. El muelle X (fig. 209) facilita el retorno de la palanca L á la posición que corresponde á la completa abertura de la turbina.

En los modelos americanos de la turbina De Laval, provista de condensador, el regulador actúa también, por medio del dado Q, sobre una válvula de aire T. El objeto de ésta es variar el vacío en la cámara donde gira la rueda. El aire que entra por P opone una mayor resistencia á la rotación de la rueda y hace variar rápidamente la velocidad de salida del vapor.

En los tipos modernos se procura accionar automáticamente la válvula de cada una de las bocas del distribuidor por medio de un pequeño servomotor de vapor, como indica la figura 211. El vapor entra bajo el émbolo empujado en sentido opuesto por un muelle cilindrico y mueve el vastago hasta que abre más ó menos la sección mínima del tubo de inyección, según la presión del vapor admitido en el servomotor.

La figura 212 representa la sección hecha en una turbina De Laval de pequeña potencia por un plano vertical que pase por el eje de la rueda móvil. El vapor, antes de llegar al distribuidor, pasa á través de un filtro G y luego por la válvula de admisión (fig. 210). R indica la rueda móvil y P es el piñón montado sobre su eje. Después cambia la sección y puede verse la polea montada sobre el eje accionado por el engranaje y su correspondiente soporte.

La figura 213 es la planta de la turbina; la 214, una vista lateral, y la 215, una sección de uno de los soportes del árbol flexible que lleva la rueda móvil.

La turbina de vapor De Laval se acopla directamente, con el eje ó los ejes secundarios, á, diversas clases de máquinas útiles: generadores eléctricos, bombas centrífugas, ventiladores.

La lámina III representa la vista exterior de una turbina de 300 caballos acoplada á dos dinamos de corriente continua. A la derecha se ven la cámara de la turbina y los volantes de maniobra de las válvulas de los distribuidores. A continuación se encuentra la caja que contiene los engranajes helizoidales; un piñón central acciona dos engranajes laterales, sobre cuyos ejes están acoplados con enlace rígido los generadores eléctricos. Todo el conjunto reposa sobre una sola basa.

Los datos experimentales que hay sobre la turbina De Laval son muy numerosos. Verdaderamente interesantes desde el punto de vista científico, no existen sin embargo más que los ya citados de Delaporte, dirigidos á determinar también el rendimiento orgánico de una turbina de 200 caballos. Las cifras recogidas á continuación dan el trabajo absorbido en la rotación de la rueda por los soportes y los engranajes:

Trabajo absorbido por la rotación de la rueda: 10,2 caballos.

Rozamiento en los soportes: 2,5 »

Engranajes: 2,0 »

Total: 14,7 caballos.

Y como los caballos obtenidos eran en una de las experiencias 197,5, tendremos un rendimiento orgánico de 0,93.

En el siguiente cuadro se recogen los resultados de las experiencias hechas en 1902 en Trenton con una turbina De Laval de la casa americana.

La característica de la turbina de vapor De Laval es una gran simplicidad de órganos y audacia desde el punto de vista constructivo. Si tuviera un consumo de vapor (entiéndase que aquí nos referimos á las unidades de 150 á 300 caballos) siquiera próximo al de los corrientes motores de émbolo, creemos que hace ya tiempo sería preferida, porque los engranajes reductores de velocidad están perfectamente estudiados y trabajados y, por su parte, no permiten temor alguno.

Pero el tipo De Laval es el que mayormente lucha con el enemigo común á todas las turbinas de fluido elástico: con la fuerza centrífuga. Cuando se llegue á obtener, y es de esperar que esto suceda, un material que se trabaje con facilidad y soporte cargas de rotura capaces de permitir que gire á 500 metros de velocidad periférica y con un gran coeficiente de seguridad una rueda de diámetro no exagerado provista de paletas más altas, en el sentido del eje de la rueda, de las que ahora emplea De Laval, creemos que se podrá obtener de tales turbinas un 75 por 100 de rendimiento relativo y, por consiguiente, trabajando con presiones elevadas, con fuertes recalentamientos y un buen vacío, un consumo de vapor por caballo-hora como hasta hoy no han llegado los motores de émbolo.

La limitación de la velocidad hace que el rendimiento relativo sea bueno cuando es imperfecto el rendimiento térmico, esto es, cuando la turbina trabaja con vapor á baja presión y con un vacío normal, y sea malo si la presión es elevada, el vapor recalentado y el vacío muy avanzado, por dos causas:

1ª. Porque es elevada la pérdida dentro de la rueda móvil.

2ª. Porque es grande el valor de la energía perdida en el escape.

La pérdida dentro de la rueda es elevada por muchas razones. La forma de los conductos distribuidores hace que resulten infinidad de valores para el ángulo α (fig. 216), á los que corresponden otros tantos valores de β mientras que las paletas no tienen más qué un único valor de este ángulo, que estará determinado por el máximo de α, con α₁, y la velocidad v₁, mínima que corresponde á los puntos de la paleta más próximos al eje de la rueda.

En todos los demás puntos, y en su parte cóncava, ocurren choques en la entrada del vapor en la rueda, mientras que si el ángulo β se hubiera determinado tomando el valor α₁ (α mínimo), el choque tendría lugar en la superficie convexa.

Finalmente, es claro que el ángulo β deberá corresponder (fig. 217) á la superficie convexa.

En segundo lugar, la muy pequeña altura de las paletas y su paso, en relación muy grande, hacen además que el vapor se mueva dentro de las canales de la rueda, como indica la figura 218.

Llevando como abscisas el valor de la distancia de diferentes secciones del chorro de vapor á partir de la sección mínima del distribuidor y como ordenadas las presiones, en ellas se obtendría una línea análoga á la ab cd e (fig. 219).

El vapor se expansiona, pues, á la salida de la rueda móvil. Se encuentra otra pérdida dentro de la rueda móvil por efecto de la discontinuidad del distribuidor: cuando las paletas se hallan en la posición representada en la figura 220, los filetes de vapor extremos, en el sentido del movimiento de la rueda, chocan, con la paleta hacia su centro, entrando y saliendo de la rueda móvil en pésimas condiciones de rendimiento.