Turbinas de vapor
Generalidades y clasificación. — Turbina LavaL — Turbina Parsons
75. — Generalidades y clasificación.
Las turbinas de vapor son máquinas destinadas á transformar la energía cinética del vapor, en movimiento de rotación de un eje.
El principio en que se basan es, el tan conocido de Física de la sirena ó rueda de Heron.
Según la manera de actuar el vapor sobre los órganos de la turbina, recibe ésta diferentes denominaciones.
Los dos tipos principales de turbinas, son:
1.° Turbinas de acción: en ellas el vapor, una vez expansionado, obra por su gran velocidad sobre los órganos móviles de la turbina.En esencia, una turbina de vapor está constituida por una envuelta de forma adecuada, en cuyo interior, y montado sobre un eje, existe un disco ó tambor en disposición de girar: en la periferia de este disco ó tambor hay colocadas una ó varias series de paletas, de formas convenientes é inclinadas con relación al eje en el caso del tambor, sobre las cuales actúa el vapor por acción. La envuelta lleva, ó bien una serie de toberas especiales, ó una disposición de paletas análogas á las del tambor.
2.° Turbinas de acción y reacción: donde el vapor se va expansionando á medida que recorre los diferentes órganos de la turbina.
En la primera categoría, ó turbinas de acción, el eje lleva una rueda ó disco con sus paletas correspondientes, y la envuelta las toberas por las que fluye el vapor, ya expansionado, chocando á gran velocidad contra las paletas de la rueda y haciendo girar á éstas.
Dentro de esta categoría existen variedades: así, por ejemplo, la rueda ó disco puede llevar una, dos ó tres coronas de paletas correspondientes á otras tantas escalas de velocidades, y también ser la rueda única ó existir dos ruedas giratorias en las que trabaje el vapor, haciéndolo primero en una y sucesivamente en la otra donde transforme en velocidad la presión que aun le resta, después de trabajar en la primera. Estas turbinas se dice tienen escalas de presión y de velocidad.
A este primer tipo de turbinas pertene la Laval, las construidas por la A. E. G. para accionar dinamos, y otras.
En las de la segunda categoría, el eje lleva montado un tambor y en él van colocadas varias series de paletas, de altura, forma é inclinación variables, llamadas paletas giratorias. La envuelta, cilindrica, pero de diámetro variable, lleva también otras series de paletas análogas á las del tambor, llamadas paletas fijas, guías ó directrices, porque, fijadas á la envuelta, su misión es guiar ó dirigir el vapor sobre las giratorias.
El vapor entra por el extremo de la envuelta de menor diámetro, y atravesando la primera corona de paletas-guías, actúa sobre la primera de paletas giratorias, haciendo girar el tambor, pasa á la segunda corona de directrices y de aquí á la segunda de giratorias, continuando el giro del tambor y el recorrido del vapor de uno á otro extremo de la turbina, en forma helizoidal ó parecida. Además, debido á los diferentes diámetros de la envuelta, alturas y separaciones distintas de las paletas, el vapor se va expansionando ó medida que recorre la turbina.
Desde las coronas de paletas-guías á las de giratorias, el vapor obra por acción, y desde las giratorias á las directrices, por reacción; de aquí la denominación de turbinas de acción y reacción.
A esta segunda categoría pertenecen las turbinas Parsons, Westinghouse y otras.
Nosotros describiremos una de cada tipo: la Laval, del primero, muy empleada para accionar dinamos, bombas, ventiladores, etc., etc., y la Parsons, aplicada hoy día en gran escala á la navegación.
76.—Turbina Laval.
El motor Laval es una turbina que utiliza directamente la fuerza viva del vapor; pero diferenciándose esencialmente de los aparatos del mismo género, como ya hemos dicho, en que el vapor llega á efectuar su trabajo completamente expansionado y no ejerce su esfuerzo sobre los dientes ó paletas del disco, sino como consecuencia de la velocidad adquirida en esta previa expansión.
La disposición general del aparato la enseña la figura 114., en la cual se representa como si fuera transparente la envuelta metálica de la turbina.
Se compone en principio de un disco con eje horizontal, provisto en la proximidad de su contorno de dientes ó paletas inclinadas, sobre las cuales el vapor obra después de haber sido conducido á una especie de anillo, del cual parten los tubos que vienen á morir en el contorno del disco, conforme se ve en la fig. 114.
El trazado interior de estos tubos está de tal modo hecho y calculado, que el vapor se expansiona completamente en el trayecto que efectúa desde las válvulas de admisión hasta las paletas del disco. Adquiere así en su expansión una velocidad considerable representada por 1.000 á 1.200 metros por segundo, la cual se comunica al disco gracias á la inclinación dicha de las paletas; sale por el otro lado, habiendo perdido casi toda su velocidad, á la cámara de escape, puesta en comunicación, ya con la atmósfera, bien con el condensador.
En razón de la considerable velocidad adquirida por el vapor expansionado, el disco toma á su vez una velocidad de rotación que llega en algunas turbinas hasta 30.000 revoluciones por minuto; y dicho se está que no pudiendo en la práctica utilizarse directamente velocidad tan crecida, se ha debido asociar á esta turbina un reductor formado por un doble par de ruedas de engrane con dientes, inclinados 45º en un sentido para el primer par y en el otro para el segundo, oponiéndose así con ellos, además, mediante esta disposición, á los movimientos longitudinales del eje.
Sobre este eje de las ruedas de engrane grandes, es sobre el que se asocia la armadura de la dinamo.
Un regulador de velocidad está montado sobre el eje que soporta las grandes ruedas estriadas del reductor y obra sobre la válvula de admisión.
La fig. 116 muestra las diferentes partes de que el regulador está compuesto. Con el número 8 se designan las dos piezas anulares que, sometidas á la acción de la fuerza centrífuga, originan por su especial disposición el avance del pasador en los momentos calculados y, en su consecuencia, el movimiento en la válvula á la que este efecto se trasmite.
Con el número 9 desígnase el muelle espiral, moderador de los efectos ocasionados por las piezas 8.
La caja ó cuerpo del regulador se representa en el número 10, siendo el pasador el 11, y el 12 el tapón, por medio del cual la espiral regula el aumento ó la disminución de la velocidad.
Una ligera idea de su colocación y conexiones con la válvula, se ofrece en la fig. 117, en la cual, A es la espiga del regulador, y en B arranca la palanca que se relaciona con la válvula. Dicho se está que la representación del grabado se refiere al caso de estar la turbina parada, y por tanto, existiendo entre la espiga y la palanca la holgura que se observa en la figura.
Va colocado al extremo del eje del engranaje, y tiene de esta manera en las máquinas de 5 caballos una velocidad de 3.000 revoluciones por minuto.
Cuando la máquina empieza á marchar, los pesos tienden á separarse; tendencia que tiene por misión combatir ó contrarrestar el muelle espiral al efecto dispuesto. Al llegar á 3.000 las revoluciones por minuto, se establece el equilibrio entre la fuerza centrífuga, que hace abrirse ó separarse los pesos ya nombrados, y la fuerza ó presión del muelle espiral que la dificulta; en este estado, el aumento nada más de un 1 por 100 en la velocidad, basta para que el predominio de una sobre otra haga sensible el mecanismo de la válvula del regulador por el intermedio del juego de la palanca en el grabado dibujada, produciendo así el efecto que se busca.
La fig. 118 representa todos los diversos elementos de que estas máquinas están compuestas y el nombre técnico con que se distingue cada pieza, cuyo relevo ó sustitución, en caso de avería, es sumamente fácil y rápido.
La fig. 115 completa la instrucción acerca de este ingenioso aparato, que reúne, á la indiscutible ventaja de una notable sencillez de construcción y manejo, la de ser su peso y volumen notoriamente reducidos.
Por lo que á la duración de estas modernas máquinas se refiere, no existe un largo período de prueba ó ensayo, suficiente para evidenciarla.
Pero si en consideración se tiene la falta de barras, válvulas, vastagos, inversiones de movimientos y demás complicados medios en ellas eliminados, y á esto se une lo fácilmente que se reemplazan las pocas y sencillas piezas de que el aparato se compone, no hay razón alguna para creer quede, bajo este punto de vista, la turbina Laval en orden inferior ó de demérito con respecto á los demás motores de crecida velocidad.
Terminaremos estas ligeras noticias anotando algunos datos relativos al consumo de vapor por caballo y hora, en los tipos más usuales, y siempre en el bien entendido de que si en todas las máquinas el trabajar con presión elevada y utilizando la condensación aporta señalada economía, en la turbina Laval constituye la verdadera forma razonable de emplearlas, desde el momento que el gasto de agua y carbón sea un factor á tener en cuenta en la explotación.
Recientemente ha sido ensayada la turbina de 300 caballos, que, trabajando con vapor á la presión de 13,5 kilogramos por centímetro cuadrado, ha llegado con condensación á la cifra económica de consumo de 6,33 kilogramos de vapor por caballo efectivo y hora.
A. — Eje flexible. B. — Disco de turbina. C. — Piñón de engrane. D. — Cojinete de punta. E. — Tubo de engrase. F. — Cojinete intermedio. G. — Cojinete de seguridad. H. — Cojinete esférico. I. — Boquilla de vapor. J. — 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. S. — Tuerca de seguridad.
77. — Turbina Parsons.
Esta turbina, muy empleada hoy día en los buques, lo mismo en los dedicados al comercio que en los de guerra, pertenece, como ya hemos dicho, á la segunda categoría ó tipo de turbinas de acción y reacción.
A continuación damos la descripción de esta turbina y de sus aparatos accesorios, y con objeto de hacer más fácil su comprensión, la consideraremos dividida en las siguientes partes:
a). — Partes constitutivas de la turbina; aspecto exterior é interior de su conjunto.a). — La fig. 119 es un esquema del corte longitudinal de una turbina Parsons de alta presión, y va á servirnos para darnos cuenta de sus partes constitutivas y de su aspecto interior.
b). — Descripción del rotor y eje.
c). — Envuelta, chumaceras y aparatos indicadores.
d). — Turbinas de ciar.
e). — Funcionamiento general y maniobras de las turbinas.
En ella, T es el tambor fijo al eje E por medio de núcleos N que están á su vez fijos al eje; de modo que la rotación del tambor T implica la del eje de la turbina. En este tambor, de diámetro constante, van instaladas diferentes series de paletas, de alturas y formas distintas, como puede verse en la figura.
Rodeando á este tambor va una envuelta cilindrica En de la forma que expresa el grabado, es decir, de diámetro variable; en ella, de manera análoga que en el tambor, se instalan otras series de paletas en un todo semejantes á las del rotor ó tambor.
Estas paletas ni son perpendiculares al eje del rotor, ni paralelas: se encuentran inclinadas con respeto á dicho eje, y esta inclinación es contraria en las paletas de la envuelta á la de las del rotor.
En V se encuentra el conducto de admisión del vapor, que ingresando en la turbina, la recorre de uno á otro extremo de la manera que más adelante se dirá, hasta llegar á C, que está en comunicación, bien con las turbinas de baja —como en el caso que consideramos de ser ésta una turbina de alta,— bien con el condensador.
Con objeto de impedir que el vapor se escape desde V al interior del rotor —generalmente en comunicación con el condensador,— y también con el de contrarrestrar en algo el empuje del vapor sobre las paletas, llevan los rotores unos cilindros ó pistones de diámetro algo menor, llamados pistones del empaquetado, y representado en la figura en P.
Estos pistones, giratorios con el rotor, llevan una serie de canales en las que encajan otros tantos anillos de bronce fijos en la envuelta, y cuyas formas, disposición y funcionamiento veremos más adelante.
Estando el interior del rotor en comunicación con el condensador, en las turbinas de baja ó con éstas en las de alta, se comprende la necesidad de evitar los escapes á la atmósfera en estas ultimas ó la entrada de aire al interior del rotor en las primeras. Con este objeto existen unos dispositivos colocados sobre el eje de la turbina, llamados obturadores de vapor, que cumplen el fin indicado.
Con un fin análogo, en los extremos de las chumaceras, completamente bañadas por el aceite, van instalados obturadores de aceite que impiden el ingreso de dicha substancia en el interior de la turbina.
Entre las paletas del rotor y la envuelta, y entre las paletas de ésta y el rotor, existe un espacio ó descuello que da lugar á una perdida de vapor importantísima: se comprende la necesidad de reducir este descuello al mínimo compatible con la dilatación del rotor, paletas, etc.
De la misma manera, entre los anillos de bronce fijos á la envuelta y las canales del pistón del empaquetado, existe otro descuello muy importante, tanto ó más que el anterior, pues de verificarse un movimiento longitudinal del rotor, los anillos de la envuelta y las canales del pistón del empaquetado se tocarían y resultarían averías. Este descuello se mide y rectifica siempre que es necesario, valiéndose de un sencillo dispositivo consistente en una plancha-índice, cuyo extremo encaja en una canal practicada en el eje.
Es factible darle á este último un movimiento en el sentido longitudinal, valiéndose para ello de un perno roscado que lleva en su extremo de proa.
Además, otro dispositivo, conocido por el nombre de puente indicador, da á conocer cualquier descenso que pueda tener el eje por desgastes. Vemos, pues, que todo movimiento del eje hacia proa, hacia popa y hacia abajo queda acusado por los respectivos aparatos, y pueden, por consiguiente, prevenirse las averías graves que pueden resultar por desprendimiento de los anillos del empaquetado ó por roturas de las paletas.
Con lo dicho y el esquema de la fig. 119, nos damos cuenta del aspecto interior de la turbina Parsons y de sus diferentes órganos. En cuanto á su aspecto exterior, es el mismo de la envuelta, cilindrica, de diferentes diámetros correspondientes á las distintas expansiones y ocupando en el buque una posición muy baja (la misma de los ejes), lo que constituye, en general, una de sus ventajas sobre las máquinas de movimiento alternativo.
b). —La fig. 120 es una representación, mitad en corte, mitad en proyección, del rotor y eje de una turbina de alta presión, y va á servirnos para describir estas partes y estudiarlas con el detenimiento que la índole de esta obra nos permite.
El rotor lo constituyen el tambor y sus paletas: el tambor T es de plancha de palastro, cilindrico y va fijo á los núcleos N por medio de remaches R. Lleva en sus superficies las canales c, c, donde se afirman las paletas. Estas canales son de ancho variable para cada expansión de la turbina, y entre dos expansiones sucesivas existe sobre el tambor un espacio sin canales.
Los núcleos N van fijos al eje por medio de tornillos que encajan, mitad en el eje, mitad en el núcleo. Al núcleo de proa de la turbina de alta va fijo el pistón del empaquetado P; éste, de diámetro algo menor que el tambor, lleva una serie de canales donde encajan (sin tocarlas) los anillos de bronce fijos á la envuelta.
La fig. 121 nos representa, ampliada, esta parte del empaquetado: P es el pistón, En la envuelta, en a a están representados los anillos de bronce de forma acanalada, como la figura muestra, para el empaquetado de la marcha avante.
En Ev se ve un conducto de evacuación que con frecuencia llevan los empaquetados de marcha avante, y que está en comunicación, bien con el condensador en las turbinas de baja, ya con la 2.ª ó 3.ª expansión de la misma turbina, en las de alta. En la fig. 119, este conducto corresponde al señalado en el pistón con e. Los empaquetados, como ya hemos señalado, impiden los escapes de vapor en el extremo de la turbina de mayor presión y producen una obturación semihidráulica, debido á la condensación del vapor en su marcha sinuosa entre los anillos y canales del empaquetado.
Al hablar de las turbinas de ciar, señalaremos las diferencias entre los empaquetados para la marcha avante y los de la marcha atrás.
En las canales c c (fig. 119) del tambor van afirmada las paletas: la fig. 122 representa una paleta, su sección, una pieza de afirmar y su sección correspondiente. La colocación de las paletas, tanto en el rotor como en la envuelta, es operación delicada, de suma importancia y trascendencia, lenta y costosa, que sólo pueden efectuar pocos y muy buenos operarios, verificándose toda ella á mano. Las paletas encajan en las canales del rotor, canales que van labradas, bien en forma de cola de pato, bien dentadas, como muestra la fig. 123, y entre cada dos paletas se coloca una pieza de afirmar que se recalca con una herramienta especial y un martillo.
Las paletas son de bronce, y hoy día se emplean también, al parecer con satisfactorios resultados, de acero.
Antes de colocar la primera paleta y con objeto de determinar bien su ángulo con el eje, se introducen en las canales unas piezas fijadoras ó determinantes de la posición de las paletas, y á continuación se van introduciendo, alternadamente, paletas y piezas de afirmar. Una vez hecha esta operación, se recalcan las piezas de afirmar, y después hay que amarrar todas las paletas á un alambre gordo de bronce que encaja en unas escotaduras que llevan aquéllas y que está marcada con una e en la fig. 122. Este amarre se hace por medio de hilo fino de cobre, y terminado el amarrado sólo queda por hacer tornear los extremos de las paletas para dejar el descuello proyectado y soldar el conjunto de paletas, alambre de cobre y el de bronce, con soldadura de plata, limpiándolas, después de efectuada ésta, por cualquier medio mecánico, un chorro de aire comprimido, por ejemplo.
Es muy importante hacer observar, que toda turbina empieza siempre por un primer anillo de paletas directrices ó guías, y termina siempre en otro de paletas giratorias.
Ya hemos dicho que las paletas varían de forma y de tamaño á lo largo del rotor; además la separación entre ellas y las de un anillo á otro varían también, constituyendo de uno á otro extremo una serie sucesiva de cámaras de expansión del vapor. En teoría, cada anillo de paletas debiera ser completamente diferente á su anterior; pero ante la imposibilidad de realizarlo, se hacen series de anillos iguales cuyo conjunto forman las expansiones de la turbina: así, se dice, por ejemplo, que tal turbina de alta tiene 8 expansiones y tal otra 12 expansiones.
Uno de los elementos de las paletas que más varían en las diferentes expansiones, es su curvatura. Son menos curvas en el extremo de baja presión, que en el de alta. Los extremos de evacuación de las paletas se hacen sucesivamente más finos y en algunos casos se han reducido las aberturas de salida del vapor de las paletas, al principio de la primera y segunda expansión, lo que equivale á establecer dos nuevas expansiones más en donde antes no existía más que una.
En resumen, por lo que á la forma y colocación de las paletas se refiere, podemos decir es muy variable según las diferentes turbinas y posición que en ellas ocupen aquellas; la mejor forma y disposición es resultado de muchísimos cálculos y muy costosas experiencias, en las que se tienen en cuenta infinidad de factores que influyen en la marcha económica y regular de la turbina, y entre los cuales no es el menos importante la relación de velocidades del vapor y de las paletas. Esta relación, en el caso más favorable, ideal, debiera ser igual á la unidad en las turbinas de reacción, é igual á 0,5 (velocidad de las paletas, mitad de la del vapor) en las de acción; en las turbinas Parsons, ya construidas y en funcionamiento, varía de 0,30 á 0,80.
En los extremos del eje más próximos al tambor, se encuentran los obturadores de vapor; el eje lleva una serie de collares Ov, Ov (fig. 120) separados por dos espacios a y e de admisión y evacuación del vapor. La envuelta, cilindrica, rodea esta parte del eje y entre ella y los collares hay el correspondiente número de anillos adaptados á la primera y encajando en los collares del segundo.
Vemos que la obturación es semejante en un todo á la que se verifica en los pistones del empaquetado.
A continuación de los obturadores de vapor, vienen en el eje los obturadores de aceite, constituidos por una canal Oa en el eje, donde encaja un anillo de plancha de bronce dividido en dos mitades, ajustadas con gran cuidado al eje y que limitan de esta manera la lubricación á las partes donde es necesaria, impidiendo su ingreso en el interior del rotor. La chumacera de popa lleva dos obturadores de aceite, uno en cada extremo, y la de proa sólo lleva uno, entre ella y la caja del rotor.
En la parte de proa del eje, entre los obturadores de vapor y aceite, hay una canal I, que es la de la plancha-índice, de la que trataremos más adelante.
Sólo nos falta, para terminar con la descripción del eje, señalar los luchaderos CH de las chumaceras principales, los collarines Cll de la de empuje, y recordar que su extremo de proa tiene un taladro roscado donde se atornilla un perno con objeto de darle un movimiento longitudinal, á popa ó hacia proa, según las indicaciones suministradas por la plancha-índice.
Excusado es decir que, lo mismo que en el caso de máquinas alternativas, el eje lleva su correspondiente virador, embragues, empaquetados de las bocinas, etc., etc. No hay más diferencia, en esta parte de eje, á popa de la turbina, que en la instalación de algún aparato medidor de torsión y en la forma y tamaño de los propulsores.
Por último, en la aplicación de las turbinas de vapor á la navegación se ha hecho casi general, la adopción de tres ejes con sus respectivos propulsores: el eje central va accionado por la turbina de alta, y los laterales por dos de baja presión, á los cuales se encuentran unidas dos turbinas para la marcha atrás. En los grandes vapores se han instalado cuatro ejes con sus cuatro propulsores: los dos centrales con turbinas de alta, y los laterales con turbinas de baja y de ciar. El número total de turbinas es de cinco y seis en cada caso, salvo en algunos buques de guerra que llevan instaladas dos turbinas más, llamadas turbinas de crucero, más pequeñas, montadas en dos de los ejes y que permiten la marcha económica con velocidades medias ó pequeñas.
c). — Las envueltas de las turbinas son fundidas en dos mitades que se atornillan después entre sí. Llevan, al salir de la fundición, sus conductos de admisión y evacuación del vapor; las diferentes partes cilindricas, de diámetro variable, donde se labran después las canales para las paletas-guías; la envuelta del pistón del empaquetado con sus correspondientes orificios de evacuación, si los lleva; en fin, todo lo correspondiente á la turbina de ciar, si es una de baja presión.
La mitad inferior de la envuelta lleva un zócalo ó fundación para empernar la turbina al buque: el extremo de popa se emperna en firme al asiento de la máquina y el de proa tiene ovalados los orificios ó taladros por donde pasan los pernos con objeto de permitirle á la envuelta la dilatación longitudinal hacia proa.
Las paletas-guías van afirmadas en las canales de la envuelta, de manera semejante á las del rotor: las únicas diferencias consisten en que teniendo que soportar menores esfuerzos —puesto que no están sometidas al movimiento de rotación de las móviles,— las canales de la envuelta no se labran en forma de cola de pato, ni dentadas, sino de caras planas y paralelas; además, estando la envuelta dividida en dos mitades, se necesitan dos piezas fijadoras ó determinantes en los dos extremos de cada diámetro y en cada semienvuelta, es decir, cuatro determinantes por corona de paletas.
La colocación es en un todo igual á la de las paletas del rotor; al cerrar la turbina con su semienvuelta superior, quedan cada par de determinantes unidos y sus superficies exteriores en contacto.
La semienvuelta inferior tiene cuatro taladros roscados en su cara de unión con la superior, y ésta cuatro sin roscar, que se corresponden con los primeros; atornilladas en esos taladros van cuatro barras, graduadas hasta cierta altura, llamadas barras-guías, que pasando por los taladros de la semienvuelta superior, sirven para mantenerla exactamente en su posición al colocarla ó levantarla, impidiendo lleguen, en estas operaciones, á tocarse las paletas de rotor y envuelta ó cualquier otra averia por contacto con ellas.
Las chumaceras principales no presentan otra particularidad digna de mención que la referente á su lubrificación; sus bronces, como de ordinario, van revestidos de metal antifricción y llevan sus canales y unos pequeños orificios por donde penetra el aceite. Este es impulsado por medio de pequeñas bombas á presión de media atmósfera, y recorre los bronces, volviendo al tanque, de donde lo toma la bomba, previa su limpieza. Las chumaceras llevan también una conducción de agua fría, cuyo objeto es mantener baja la temperatura del aceite; una pequeña bomba es la encargada de mantener esta circulación de agua fresca.
La chumacera de empuje va colocada á proa del eje de cada turbina: son pequeñas y llevan sus correspondientes anillos de bronce en número crecido, encajados entre los collarines del eje. Los anillos reciben el empuje del vapor en uno ó en otro sentido, hacia proa ó hacia popa, pues el empuje del propulsor está equilibrado con el del vapor sobre las paletas, y en muchos casos (turbinas de alta) es superior este último.
Así es que la chumacera de empuje es pequeña, y en marcha, su desgaste es prácticamente nulo: no recibe empuje ninguno, como sucede en las máquinas alternativas, cuando está en marcha la turbina, sino solamente el empuje del vapor sobre las paletas en los cambios de marcha.
Se ha observado, en las turbinas de alta, un ligero desgaste del empuje á popa, prueba de que el empuje del vapor sobre las paletas es superior al del propulsor.
Los aparatos indicadores que usualmente llevan estas turbinas, son: el puente-indicador, la plancha-índice y en raros casos el aparato medidor de torsión.
El puente-indicador (fig. 124) está constituido por un puente P de hierro con un taladro central donde se atornilla y fija, remachándolo, un perno p de acero cuya cara baja es perfectamente plana. Las turbinas llevan dos puentes indicadores, uno en cada extremo, y los pernos p se fijan á una distancia conocida del eje E, de modo que el descenso de este último se puede medir, mediante calibradores que se introducen entre la base inferior del perno y la parte superior del eje.
La plancha-índice (fig. 125) indica el descuello en el empaquetado, y no es otra cosa que una planchuela I atornillada á la parte inferior de la envuelta de la turbina, y quedando su canto próximo á un resalte del eje (véase figura 120). De la misma manera que en el puente indicador, por medio de calibradores se mide el descuello, conociendo la distancia á la que quedó la plancha-índice del resalte del eje al montar la turbina.
En la fig. 125 vemos también dibujados, parte de un obturador de vapor Ov y uno de aceite Oa.
El aparato medidor de torsión del eje tiene por objeto, calcular la potencia trasmitida al eje por la turbina, sirviendo de base para este cálculo el conocimiento de la torsión que toma el eje al girar accionado por la turbina.
No entraremos en su descripción detallada por no creerlo necesario; sólo diremos que todo él es un dispositivo eléctrico ingenioso, sencilla aplicación de los efectos de inducción, y que su uso á bordo no está aún generalizado.
d). — Hemos dicho repetidas veces que adosadas á las turbinas de baja de marcha avante, generalmente en los ejes laterales, iban otras dos turbinas más pequeñas de marcha atrás. La fig. 126 es un esquema de un rotor de baja, y bien claramente indica la disposición en que van montadas las diferentes series de paletas.
En la turbina de ciar, el orden de las distintas expansiones es inverso, pues inversa es también la entrada del vapor, y,el número de ellas bastante menor. Las paletas tienen la misma inclinación, forman el mismo ángulo con el eje que las de marcha avante, pero su curvatura es inversa; fácilmente se comprende que siendo inversa también la entrada del vapor, el eje girará en opuesto sentido.
La exhaustación de las turbinas de ciar es la misma que la de baja, la tubería de exhaustación central al condensador. Cuando funciona la de marcha avante, la de ciar gira en el vacío del condensador, é inversamente en la marcha atrás.
Se comprende que exhaustando las turbinas de alta en las de baja, al cambiar la marcha y admitir vapor en las de ciar, este no sólo iría al condensador, sino que, atravesando la turbina de baja, iría á la de alta; esto no sucede, pues al dar vapor á las de ciar se cierran automáticamente dos válvulas de retención instaladas en los tubos de exhaustación de las de alta, impidiendo entre vapor en ellas. Además quedan las turbinas de alta en comunicación también con el vacío del condensador, y al ponerse en movimiento, por efecto de la acción del agua sobre sus propulsores, lo hacen lentamente, absorbiendo muy poca energía.
No hay necesidad de recordar que las turbinas de ciar llevan también sus correspondientes pistones de empaquetado; pero, como ya hemos señalado, hay diferencias entre el empaquetado para la marcha avante y el de marcha atrás.
Los anillos de bronce de la envuelta no son de sección cuadrada ni acanalados, sino que su sección tiene forma de cuña, con el vértice de ella casi tocando la superficie del pistón (fig. 127), los señalados a, a; de la misma manera el pistón lleva anillos de la misma sección b, b, á muy poca distancia de la envuelta. La obturación se produce como en los de marcha avante, por el recorrido largo y sinuoso del vapor: la razón de estas diferencias entre los empaquetados está, en la necesidad que hubo de encontrar la forma que mejor permitiera la dilatación de la turbina, rotor y envuelta, en el extremo donde van colocadas las de ciar. Los empaquetados de marcha atrás no llevan los orificios de evacuación que suelen llevar los de marcha avante.
La semienvuelta inferior de las turbinas de ciar van provistas de unos orificios pequeños de purga, generalmente tantos como expansiones, y colocados en la última corona de paletas de cada una de ellas. El agua que proviene de las condensaciones, y que es recogida en estas purgas, pasa al conducto de exhaustación y de allí al condensador.
Aunque las turbinas de ciar son siempre más pequeñas que las de marcha avante, se observa en estos últimos tiempos una tendencia marcadísima á su aumento; hoy día son, desde luego, muchísimo mayores que las primeras que se montaron, dando muy buenos resultados á pesar de este considerable aumento.
Hay que tener en cuenta que, por regla general, hoy día sólo se utiliza para la marcha atrás un tercio de la potencia en marcha avante: el diámetro del rotor de la turbina de ciar es igual al rotor de alta presión.
e). — La fig. 128 nos va á permitir formarnos cuenta bastante exacta de la manera de accionar el vapor sobre las paletas. D D son las coronas de paletas directrices ó guías, y G G las de giratorias; el vapor se encuentra, como ya sabemos, con una primera corona de las primeras y es guiado á accionar sobre las segundas, imprimiéndole al rotor un movimiento de rotación en el sentido que indican las flechas.
Como la inclinación de las paletas giratorias es contraria ú opuesta á la de las directrices, el vapor sufre un cambio de dirección, y atravesando esta corona de paletas, pasa á otra de directrices; pero como el tambor á su vez ha girado, esta masa de vapor que consideramos entrará en unas directrices que no pertenecen ó se encuentran en la misma generatriz que las primeras. Abandónase, cambiando constantemente de dirección, las sucesivas coronas de tambor y envuelta, comunicándole gran parte de su energía al rotor hasta haber recorrido toda la turbina, expansionándose cada vez más y perdiendo presión.
La velocidad que el vapor adquiere es muy grande; prácticamente la que alcanza en la turbina puede evaluarse en unos l00 metros por segundo, y ya dijimos que comunicaba á las paletas de 3 á 8 decimas de esta velocidad; es decir, que la velocidad lineal de las paletas (producto del número de vueltas por segundo por la circunferencia media de las paletas) es de 30 á 80 metros por segundo.
Acabamos de decir que á medida que el vapor recorre las distintas coronas de paletas de rotor y envuelta, va perdiendo en presión; no sólo desciende la presión de uno á otro extremo de la turbina, sino que también hay un descenso en el calor, en la temperatura, debido al trabajo útil por él verificado al imprimirle al rotor el movimiento de rotación, venciendo las resistencias que el propulsor ó aparato acoplado al eje encuentre en su marcha.
Se comprende que al atravesar el vapor las coronas de paletas, resulte una perdida de energía por fricción con ellas; pérdida inevitable, pero tanto menor cuanto más suaves sean las superficies de las paletas; además, el agua producida por la condensación del vapor hace un efecto análogo, y de ahí el empleo beneficioso del vapor algo recalentado.
El aumento de volumen del vapor se encuentra favorecido, digámoslo así, por los espacios de expansión que entre las distintas series de paletas existen, por la mayor altura de estas y, por consiguiente, diámetros crecientes de la turbina, por la forma, curvatura y separación de ellas.
En las turbinas de alta presión, el vapor se admite por una válvula principal de mano, y de esta turbina pasa á las de baja, estando estas últimas en comunicación con el condensador. Puede dársele también directamente vapor á las turbinas de baja presión, y el aparato que realiza esta operación, y que lo da también á las turbinas de ciar, constituye el cambio de marcha y aparato de maniobra.
Del tubo general de vapor, en el que hay instalado un filtro con objeto de evitar la entrada de suciedades en las turbinas, filtro constituido por una tela metálica dentro de una caja especial, parten tres tubos de alimentación: uno grande para la turbina de alta, y dos pequeños, con sus correspondientes válvulas, que van á dos cajas que contienen los aparatos de maniobra y cambio de marcha. Son sencillamente estos aparatos unas válvulas de émbolo que dan paso al vapor, ya á la turbina de ciar, ya á la de baja directamente.
En la marcha avante, las válvulas de estos aparatos de maniobra están cerradas; el vapor entra en la turbina de alta, la recorre, exhausta en las de baja, que recorre á su vez, y por último, exhausta al condensador, generalmente con gran vacío. Este es mantenido tan grande como es posible, por las bombas de aire y por otra bomba más aumentadora del vacío: las bombas de alimentación extraen el agua del condensador y la conduce al filtro, calentador y calderas, como de costumbre.
En la marcha atrás, la turbina de alta no funciona y no se le da vapor, cerrándose, por lo tanto, la válvula principal de admisión; por medio de las válvulas de maniobra se admite vapor á toda presión en las turbinas de ciar, al mismo tiempo que automáticamente se han cerrado las válvulas de retención, que hemos dicho impedían la vuelta del vapor de la turbina de baja á la de alta.
Por todo lo dicho, vemos que podemos hacer funcionar las turbinas en marcha avante sólo con la válvula principal de admisión; dejar parada la turbina de alta y funcionar con las dos de ciar, marcha atrás; admitir directamente vapor á toda presión en las dos de baja, marcha avante, y por último, funcionar con una de baja, admitiendo vapor directamente, y una de ciar, pudiendo efectuar un giro rápido ó cia-boga.
Las turbinas realizan la parada y los cambios de marcha fácilmente y con gran rapidez, si las de ciar son de potencia suficiente. Lo mismo que sucede en las máquinas alternativas, los cambios bruscos de marcha son perjudiciales para las turbinas.
Con las indicaciones de los contadores de revolución y los manómetros instalados en las distintas partes de la turbina, se regula la velocidad del buque: puede aumentarse ésta por medio de un dispositivo que lleva solamente la turbina de alta. Es una sencilla válvula de paso que permite al vapor pasar de la primera á la tercera expansión de la turbina directamente, con lo que se aumenta la potencia. Además, al poner en marcha la turbina, se abre también la válvula de paso para reducir en algo el choque brusco del vapor sobre las primeras coronas de paletas.
En los barcos, la admisión de vapor en la turbina alta está en su extremo de proa, y exhausta por el de popa en las de baja: estos tubos de exhaustación de una á otras turbinas, van del extremo de popa de la de alta á los de proa de las de baja presión. Sobre las envueltas de las turbinas de baja, y precisamente en estos tubos de exhaustación, van instaladas las válvulas de retención que impiden la vuelta del vapor á la turbina de alta, cuando se da vapor directamente á las de baja para maniobrar, ciar ó funcionar sólo con los ejes laterales. En las partes altas de las envueltas de todas las turbinas hay instaladas válvulas de seguridad cargadas á presión conveniente; en la turbina de alta se instala una en el extremo de popa, y en las de baja otras dos en los extremos de proa.
Las admisiones y evacuaciones de los obturadores de vapor están dispuestas de la manera siguiente: en el eje central, llega el vapor al obturador á alta presión y evacúa á las turbinas de baja, y en éstas se admite el vapor á baja presión y evacúa, bien en la tercera ó cuarta expansión de la misma turbina, bien, más generalmente, al condensador.
Los empaquetados con conducto de evacuación, sólo los de marcha avante, como ya hemos dicho, exhaustan en la tercera expansión de sus turbinas.
Por último, en el fondo de todas las envueltas hay grifos de purgas que conducen el agua de condensación á tubos en comunicación con el condensador ó la bomba de aire, siempre en función aun estando la turbina parada; pues es causa de averías serias la presencia de este agua en la turbina.
Terminaremos esta descripción anotando algunas particularidades importantes en el manejo y funcionamiento de estas turbinas.
La expansión del vapor en estas máquinas es muy superior á la de las alternativas: el grado total de expansión alcanza un valor séxtuplo al de las ordinarias, y como el trabajo útil obtenido es tanto mayor cuanto más completa sea esta expansión, y ella depende del vacío en el condensador, se comprende lo importante que es alcanzar un altísimo vacío en estos aparatos: de aquí la adopción del aumentador de vacío ó bomba supletoria de aire, llamada también bomba de aire, seca.
Los desgastes de paletas, cojinetes, chumaceras y empuje son prácticamente nulos si las turbinas están bien montadas, puesto que estas máquinas están ó deben estar perfectamente equilibradas en todas sus posiciones. Por eso suele decirse, cuando el montaje es exacto, que las turbinas flotan, y claro está que todos aquellos desgastes se reducen al mínimo inevitable.
Sólo los anillos de los empaquetados y los de los obturadores de vapor presentan á veces, sobre todo los últimos, desgastes apreciables, por lo que se hace necesario su recambio al cabo de algún tiempo de servicio.
A pesar del número relativamente grande de revoluciones que dan las turbinas, la vibración á ellas debida es prácticamente nula: dicho numeró de revoluciones varía, como es natural, muchísimo con la clase de buque, velocidad y turbinas; varia de 180 ó 200 hasta 800 revoluciones por minuto en algunos casos. El número de revoluciones de los tres ejes es próximamente el mismo. Cuanto mayor sea, mejor y más económicas son las condiciones de funcionamiento de las turbinas, mejor rendimiento. Los propulsores originan á veces una vibración bastante importante en el extremo de popa; pero este fenómeno afortunadamente es poco corriente. Podemos condensar las ventajas de las turbinas sobre las máquinas de movimiento alternativo, de la siguiente manera:
1.° Aplicación directa de la energía del vapor de la caldera á la turbina sin pérdida intermedia de energía.
2.º A igualdad de potencia, menor peso de máquinas.
3.º Supresión de crecido número de piezas en movimiento, como vastagos, pistones, distribuidores, barras, cigüeñales, excéntricas, etc., etc.
4.º Menor probabilidad de averías por roturas.
5.º Multiplicidad de ejes, que permite el funcionamiento aun en el caso de inutilización de uno ó dos de ellos.
6.° Posición de las máquinas más baja en el barco, menor espacio en altura.
7.º Carencia de vibraciones; y
8.º A grandes velocidades, economía seria de combustible.
Para poner en función las turbinas es preciso primero calentarlas, procediendo de la siguiente manera: se abren todas las purgas y se hacen funcionar lentamente las bombas de aire ordinarias. Se da vapor, á poca presión, á las admisiones de los obturadores de vapor, hasta que los manómetros correspondientes marcan la debida presión. Medir el descuello en el empaquetado; calentar la turbina, dando vapor á poca presión, y volver á medir el anterior descuello. Una vez calentada la máquina con las precauciones dichas, está en disposición de ponerla en movimiento.
Se comprende la importancia grande que tienen estas precauciones, con sólo enumerar las principales averías que pueden ocurrir en las turbinas, y sus causas.
Son aquéllas el desprendimiento de los anillos del empaquetado y el desprendimiento de las paletas. Reconocen por causas dichas averías las siguientes:
1.ª Desgastes de las chumaceras.
2.ª No ocupar el rotor su posición longitudinal.
3.ª Descuello insuficiente en el empaquetado al empezar á calentar.
4.ª Descuello insuficiente en el rotor al calentar la turbina.
5.ª La presencia de agua en la turbina, debida á fomentaciones, por ejemplo, que puede ocasionar la rotura de paletas.
Todas estas causas de averías quedan sobradamente eliminadas observando las precauciones anteriores, cuidando atentamente de la lubricación en las chumaceras, causa principal del rápido recalentamiento de las chumaceras, acompañado de la fusión del metal de los bronces, descenso del eje y roturas de paletas ó anillos del empaquetado.
"Manual del maquinista de la marina mercante", Eugenio Agacino
Tipografía Vda. de Luis Tasso, Barcelona, 1912