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TURBINAS NAVALES.
CAPÍTULO DOS.
EL CICLO DEL VAPOR NAVAL.
2.1. PROPÓSITO.
El propósito es examinar una planta de propulsión típica como un todo. Esto capacitará al estudiante para
obtener una idea clara de la planta completa antes de un estudio detallado de las unidades dentro de ésta. El
arreglo aquí descrito es el de un destructor moderno. Con mínimas variaciones, éste arreglo es muy similar al
instalado en cualquier buque moderno impulsado por vapor. La planta consiste esencialmente de la
maquinaria necesaria para el ciclo de vapor principal, un sistema de vapor auxiliar, un sistema de descargas
auxiliares, y las conexiones necesarias para conectar éstos sistemas. Otros sistemas importantes que serán
discutidos posteriormente son el sistema de vapor a sellos, el sistema de lubricación y los sistemas de
drenados de baja y alta presión.
2.2. EL CICLO DE VAPOR PRINCIPAL.
El ciclo de vapor principal es aquí considerado como la integración de cuatro fases, o sistemas, tres de los
cuales serán considerados a detalle en este texto. Estos son la fase de expansión, la fase de condensación y
la fase de alimentación de la caldera. Las últimas fases agrupadas, son a menudo referidas como el sistema
de alimentación principal. La primera fase en el ciclo es la de generación. Este fue ampliamente cubierto en el
curso sobre Calderas Navales y recibirá solamente una atención pasajera en este punto.
Resumiendo, estas son:
1. Fase de expansión:
a. Tuberías de vapor principal, válvulas y accesorios.
b. Válvulas de control de turbina.
c. Turbinas de propulsión principal.
2. Sistema de alimentación principal:
a. Sistema o fase de condensado.
1. Condensador principal.
2. Bomba de condensado.
3. Varios intercambiadores de calor.
4. Tanque desaereador DE EFE TE, cumple con dos funciones: calentar y desaerear el condensado.
b. Sistema o fase de alimentación de la caldera.
1. Tanque desaereador DE EFE TE, almacenamiento de agua de alimentación.
2. Bombas boster de alimentación principal.
3. Bomba de alimentación principal.
4. Economizador.
c. Tubería y válvulas para el tanque de alimentación de reserva. (Conectados en varios lugares a ambas fases: la de alimentación de la caldera y la de condensado).
La fase de expansión incluye la parte del ciclo de vapor principal que comienza en la salida de la caldera, y
termina en la interconexión entre la unidad de turbina y el condensador. Esto incluye la tubería de vapor
principal (algunas veces referida como el sistema de vapor principal) y las válvulas internas, las válvulas de
control de la turbina, y las turbinas propiamente dichas. En esta parte del ciclo, el flujo de vapor que es llevado
a la turbina, es controlado, y la energía térmica interna es convertida a energía mecánica. El sistema de
alimentación principal es parte del ciclo del vapor principal que empieza en la entrada del vapor al
condensador, incluyendo al mismo, la bomba de condensado, varios intercambiadores de calor, el tanque
desaereador DE EFE TE, la bomba boster de alimentación, las bombas de alimentación principal y auxiliar.
Los tanques de alimentación de reserva y emergencia y sus interconexiones a las unidades señaladas arriba
serán consideradas posteriormente. El sistema de alimentación principal está subdividido en dos sistemas o
fases, el sistema o fase de condensado y el sistema o fase de alimentación de caldera.
La fase de condensación es la parte del sistema la cual comienza en la entrada de vapor al condensador y
termina en el tanque desaereador DE EFE TE, el cual realiza el calentado y desaereado. En ésta fase el vapor
de descarga es convertido a líquido condensado por transferencia de calor al agua de mar circulada; la
presión del condensado se eleva por la bomba de condensado, el calor se transfiere dentro del condensador,
así como en el tanque desaereador DE EFE TE; y el oxígeno disuelto es removido del condensado. El
proceso de desaereación final convierte el condensado en agua de alimentación de caldera.
El sistema o fase de agua de alimentación de la caldera comprende el tanque desaereador DE EFE TE, la
bomba booster de alimentación, la bomba de alimentación principal, y el economizador. En ésta parte del
sistema la presión de agua de alimentación de la caldera es elevada lo suficientemente para inyectarla al
colector de vapor, y la energía térmica es añadida al economizador por los gases de escape en la chimenea.
La fase de generación en el ciclo de vapor principal incluye la caldera, el recalentador, y el desrecalentador,
los cuales están ordinariamente en una unidad integral. Es en ésta parte del sistema en donde la mayor
cantidad de calor es añadida al fluido de trabajo. Esta es la parte del sistema en la cual la planta de energía
nuclear difiere ampliamente de la planta convencional de combustible.
2.3. EL SISTEMA DE VAPOR AUXILIAR.
Todos los aparatos auxiliares de propulsión nombrados con anterioridad, y muchos otros auxiliares requieren
una fuente de vapor o máquina generadora de energía para hacerlos funcionar. Las máquinas generadoras de
energía pueden ser pequeñas turbinas de vapor o motores eléctricos. Para distribuir el vapor que hace
funcionar estas turbinas y suministrar energía a los intercambiadores de calor, es proporcionado un sistema
de vapor auxiliar. En las instalaciones anteriores, se ha practicado el suministro de vapor saturado a
seiscientas libras sobre pulgada cuadrada, a los sistemas auxiliares. Sistemas subsidiarios, que requieren
presiones más bajas, son suministradas desde este sistema a través de las válvulas reductoras. El vapor para
el sistema, es suministrado por la línea del vapor a la salida del recalentador de la caldera y otra parte regresa
a través de los tubos del desrecalentador localizados en el colector de vapor o de agua de la caldera. Este
esquema proporciona un flujo continuo de vapor a través de los tubos del recalentador, aun cuando las
turbinas estén paradas. En el primer sistema de mil doscientas libras sobre pulgada cuadrada, el sistema de
vapor auxiliar está fijo a seiscientas libras sobre pulgada cuadrada. En éste sistema, el vapor recalentado a la
presión de la caldera es antes desrecalentado y después conducido a una estación donde su presión es
reducida a menos de seiscientas libras sobre pulgada cuadrada. En instalaciones de mil doscientas libras
sobre pulgada cuadrada más recientes, el vapor recalentado a la presión de la caldera es usado para hacer
funcionar las turbinas auxiliares. Este vapor es obtenido de una conexión a la línea de vapor principal cerca de
la salida de la caldera. En todos los sistemas, el vapor a baja presión es requerido para varios servicios,
algunos de los cuales son detallados en párrafos siguientes. En los primeros dos tipos de instalación, el vapor
se obtenía por las válvulas de reducción de la línea de vapor auxiliar. En el tercer tipo de instalación, el vapor
es obtenido por desrecalentamiento de una parte del vapor recalentado en los tubos del desrecalentador del
colector de vapor, reduciendo después la presión a la deseada. El sistema de suministro de vapor a los
aparatos auxiliares es llamado el sistema de vapor auxiliar de ciento cincuenta libras sobre pulgada cuadrada.
Tres de estos sistemas, junto con sus usos son:
1. Sistema de vapor auxiliar de ciento cincuenta libras sobre pulgada cuadrada, para:
a. Calentador de servicio de combustible.
b. Eyectores de aire.
c. Intercambiador de calor para calentar el lubricante.
d. Válvula de reducción para el sistema de vapor auxiliar de cien libras sobre pulgada cuadrada.
2. Sistema de vapor auxiliar de cien libras sobre pulgada cuadrada, para:
a. Taller de sastrería y lavandería.
b. Válvula de reducción para sistema de vapor auxiliar de cincuenta libras sobre pulgada cuadrada.
3. Sistema de vapor auxiliar de cincuenta libras sobre pulgada cuadrada, para:
a. Cocina
b. Sistema de agua caliente.
c. Sistema de calefacción del buque.
Para resumir, el sistema de vapor auxiliar proporciona vapor para dar potencia a las turbinas auxiliares y
también proporciona vapor a través de las válvulas de reducción a sistemas auxiliares de presión más baja.
2.4. SISTEMA DE DESCARGA DE AUXILIARES.
La turbina de propulsión descarga en el condensador principal. Similarmente el turbogenerador, siendo una
unidad de un tamaño adecuado, descarga en su propio condensador (pero también puede descargar en el
condensador principal). Es impráctico, sin embargo, suministrar un condensador individual para cada turbina
pequeña la cual haga funcionar una bomba auxiliar. Consecuentemente un circuito de tuberías es
suministrado para recolectar el vapor descargado de todas las turbinas auxiliares en una planta de propulsión.
Este circuito es llamado sistema de descarga de auxiliares. La presión en este sistema es mantenida a quince
libras sobre pulgada cuadrada por la colocación de una válvula de control automático. El vapor en el sistema
de descarga de auxiliares a quince libras sobre pulgada cuadrada retiene considerable energía térmica la cual
es empleada en dos maneras importantes. Primero, el vapor es usado en el tanque desaereador DE EFE TE,
para calentar el condensado y extraerle el oxígeno disuelto. Una parte importante del sistema de descarga de
auxiliares es usado de esta manera. Esta parte se combina con el agua de alimentación en el proceso de
calentamiento y es desaereado, y así regresa a la caldera. Segundo, una parte más pequeña es usada para
proporcionar una parte de la energía térmica requerida para operar la planta destiladora, en la cual el agua
destilada es obtenida a partir del agua de mar. Esta parte es condensada, y regresa a la caldera a través del
sistema de drenado de baja presión analizado posteriormente. Cuando más vapor es conducido al sistema de
descarga de auxiliares del que es requerido para éstas dos funciones, la presión en el sistema comienza a
aumentar arriba de quince libras sobre pulgada cuadrada, este aumento en la presión causa que se abra una
válvula de descarga automática, permitiendo al vapor fluir del sistema de descarga de auxiliares al
condensador principal. Esta válvula se cierra cuando la presión cae de nuevo a quince libras sobre pulgada
cuadrada. El vapor que fluye al condensador principal pierde su energía y se condensa por el agua de mar
circulante; ésta energía se transmite al agua de mar de circulación al condensador. La energía térmica en las
partes del vapor auxiliar usadas en el tanque desaereador DE EFE TE y la planta destiladora ejecuta
funciones útiles. Sin embargo, el vapor descargado al condensador pierde su energía térmica en el mar. Por lo
tanto es deseable controlar el abastecimiento de vapor de descarga de auxiliares descargado en el sistema
para balancear la suma de los requerimientos del tanque desaereador DE EFE TE y la destiladora. Esto se
hace por la elección apropiada del número de bombas impulsadas por vapor y bombas impulsadas por
electricidad en uso, bajo varias condiciones de carga de la planta. Bajo algunas condiciones de carga, pudiera
haber vapor insuficiente en el sistema de descarga de auxiliares para mantener la presión requerida, aun
cuando no se estuvieran usando bombas eléctricas. En tales circunstancias se previene aumentando la
presión admitiendo vapor directamente del sistema de descarga de auxiliares, a través de la válvula de
reducción de presión.
2.5. RESÚMEN. Recapitulando lo anterior el ciclo del sistema de vapor principal, con sus cuatro fases, ha sido
analizado; la fuente y uso del sistema de vapor auxiliar ha sido explicado; y el sistema de descarga de
auxiliares ha sido descrito.
CAPÍTULO TRES.
PRINCIPIOS BÁSICOS.
3.1. TEORÍA BÁSICA DE LAS TURBINAS.
1. Principio de acción.
Si una cantidad de vapor es confinada en un recipiente cerrado, desarrollará una presión sobre las paredes
del mismo. Si conectamos éste recipiente por medio de un conducto reducido (un tubo o una tobera), a una
zona de más baja presión, el vapor fluirá a través del conducto y se expandirá a un volumen mayor,
dependiendo de la presión más baja. La velocidad del flujo de vapor (en pies por segundo), dependerá de la
diferencia de presión existente entre las zonas de alta y baja presión; así también el valor en peso del mismo,
dependerá de su velocidad y del área de la sección del tubo o tobera.
A una presión y temperatura dadas, el vapor contiene cierta cantidad de energía térmica (calor) que aumenta
con la presión o temperatura, y viceversa. Por lo tanto el flujo del vapor a través de un conducto reducido da
como resultado una disminución de la energía térmica. Esta disminución es equivalente a lo que gana en
energía cinética, la cual es directamente proporcional al cuadrado de su velocidad. En otras palabras, la
energía térmica se convierte en energía cinética a causa de fluir el vapor de una zona de alta presión a una
zona de más baja presión.
Si colocamos un obstáculo en la trayectoria del flujo de vapor, la fuerza desarrollada por éste, ejercerá una
acción sobre ese obstáculo, cuya magnitud dependerá de la cantidad y velocidad de esa corriente de vapor.
Ahora bien, si colocamos el citado obstáculo de tal manera que pueda moverse, el chorro de vapor
desarrollará un trabajo sobre el mismo, cuya cantidad será igual al producto de la fuerza por la distancia a
través de la cual éste se mueva, es decir, la distancia a través de la cual actúe la fuerza.
Supongamos que el obstáculo a que hemos hecho referencia es un álabe o paleta, que está montada sobre la
corona de una rueda que pueda girar libremente. Si ésta rueda además contiene una serie de tales paletas
alrededor de su periferia total, de modo que, a medida que cada una gira fuera de la trayectoria del chorro de
vapor, otra tomará su lugar, existiendo una fuerza rotacional continua aplicada a la rueda, y ésta continuará
girando mientras se mantenga aplicado el chorro de vapor. Este aparato constituye, en principio, una de las
formas más simples de una turbina de vapor. Puesto que su operación depende de la acción del chorro de
vapor, ésta es conocida como una turbina de acción.
2. Principio de reacción.
Hemos visto que el vapor, al expandirse a través de una tobera, adquiere velocidad, y en consecuencia,
energía cinética, la cual es capaz de desarrollar una fuerza contra cualquier objeto colocado en su trayectoria.
La fuerza existe, haya o no un obstáculo contra el cual ella pueda actuar. Ahora bien, sabemos que a cada
acción corresponde una reacción igual y contraria, por ejemplo, cuando sostenemos el extremo de una
manguera por la que ha de fluir un chorro de líquido, un golpe de retroceso o reacción se manifiesta en
nuestras manos cuando se produce la afluencia del mismo, viéndonos precisados a hacer un esfuerzo
adicional para sujetarla.
Si ahora fijamos un número de toberas a la corona de una rueda que gire libremente, y que los chorros de
todas ellas fluyan en una dirección tangente a su periferia. Las citadas toberas estarán conectadas por medio
de tubos a un eje hueco sobre el que se encuentra montada la rueda, y éste eje hueco, a su vez, es
conectado a una fuente de suministro de vapor de relativa alta presión. El flujo del vapor a través de las
toberas producirá una fuerza reactiva que imprimirá a la rueda un movimiento de rotación en sentido opuesto
al chorro del vapor que fluye de éstas. Este sencillo aparato, que está ejemplificado por la turbina de "Hero".
En la práctica común es representado por un aspersor de jardín, constituye, en principio, un segundo tipo de
turbina que es conocida como la turbina de reacción, ya que su operación depende de la reacción del vapor al
expandirse a través de las toberas.
En las turbinas reales, las toberas son reemplazadas por empaletados fijos, de tal manera que los pasajes
entre las paletas adyacentes toman la forma de toberas. Este efecto de reacción existe en todos los casos en
que un fluido abandona un conducto reducido (tal como una tobera, o el pasaje entre paletas) con una
velocidad más alta con relación a aquella que tenga al entrar a éste. También se presenta siempre que la
dirección del flujo del fluido cambiará mientras pasa a través de dicho conducto. (A medida que el fluido
cambia de dirección, la fuerza centrífuga desarrollada en su masa lo forza contra la cara de la paleta
alejándola del centro de giro).
Según lo expresado, podemos definir ahora una turbina como un aparato mecánico por medio del cual la
“energía térmica del vapor es convertida en energía cinética” haciendo que el vapor se expanda a través de
toberas o empaletados; y a su vez, convirtiendo esta “energía cinética en trabajo” mediante la utilización de
uno de los dos métodos siguientes:
a). Dirigiendo el chorro de vapor expandido que fluye de las toberas, contra paletas montadas sobre una
rueda que pueda girar libremente, como en la turbina de acción.
b). Utilizando la fuerza reactiva del vapor, debida a su expansión en el empaletado, para producir rotación
como en la turbina de reacción.
3.2. FLUJO DEL VAPOR A TRAVÉS DE LAS TOBERAS.
Para lograr el efecto citado de acción o de reacción, las turbinas deben poseer algún dispositivo o aparato que
le imprima una alta velocidad al vapor. Esto se consigue haciendo pasar el vapor desde una zona de alta
presión a una de presión más baja, a través de una tobera. En la turbina de reacción el vapor es hecho pasar
a través de un empaletado, diseñado de tal modo que el espacio entre paletas adyacentes es en sí una tobera
en la cual aumenta la velocidad del vapor. Las toberas adoptan muchas formas, pero fundamentalmente todas
son similares. Consisten de una sección entrante, una garganta y una boca. Cuando existe una presión
relativamente baja en la zona en que descarga la tobera, el vapor tiene tendencia a expandirse rápidamente
en todas direcciones originando turbulencia. Para los efectos de reducir o controlar esta expansión turbulenta,
se le agrega a la garganta una parte cuya área aumenta gradualmente, resultando que el vapor descargue de
la misma en una corriente continua y regular, es decir, sin turbulencia. Las variaciones que tienen lugar en
velocidad, presión y volumen específico (pies cúbicos por libra) están indicadas gráficamente debajo de la
tobera. La pendiente de las curvas variará con los cambios en la diferencia de presión del área de la sección
transversal, de la longitud de la tobera y del ángulo de divergencia.
Del estudio de la física sabemos que la energía cinética de una masa de vapor en movimiento se expresa
mediante la relación:
ENERGÍA CINÉTICA ES IGUAL AL PESO DEL VAPOR POR VELOCIDAD AL CUADRADO SOBRE DOS
VECES LA GRAVEDAD.
Dónde:
E. C. igual a energía cinética, en pies por libras.
W. igual a peso del vapor, en libras.
V. igual a velocidad, en pies por segundo.
G. igual a 32 punto 2 pies por segundo al cuadrado.
Esto es, la energía cinética es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad. Por lo tanto la tobera, al
incrementar la velocidad del vapor, da como resultado un aumento en su energía cinética. Esta exposición nos
da la definición de una tobera en términos de su función fundamental, que es, la conversión de la energía
térmica de un fluido, tal como el vapor, en energía cinética, al expansionarlo desde una zona de alta presión a
una zona de presión más baja.
3.3. RELACIONES ENTRE LAS DIFERENTES VELOCIDADES DEL VAPOR EN UN EMPALETADO DE
ACCIÓN.
De lo expuesto es evidente que la energía cinética impartida por la tobera a una cantidad dada de vapor,
depende de la velocidad del mismo. A fin de convertir la citada energía en trabajo, debemos transferir ésta
velocidad del vapor a un álabe o paleta montada sobre un eje. Ahora bien, si toda esta energía, debida a la
velocidad, es transferida a la paleta, hemos de diseñarla con características tales que, después de
abandonarla, la velocidad absoluta del vapor sea cero.
Si la velocidad absoluta del chorro de vapor es V 1 y de la paleta es V. b., entonces para un observador
parado sobre la paleta, la corriente de vapor golpea la paleta con una velocidad relativa V 1 menos V. b. La
paleta revierte la dirección de la corriente de vapor relativa a ella, si asumimos que no existe fricción, ésta no
cambia la magnitud de la velocidad relativa.
Es este hecho el cual caracteriza a la paleta como de acción. Por lo tanto, la velocidad de la corriente dejando
la paleta (aún vista desde el observador sobre la paleta) es (V 1 menos V. b.). Pero la velocidad absoluta de
salida es la suma de la velocidad relativa de salida y la velocidad de la paleta, es decir:
V 2 es igual a V 1 menos V. b. más V. b.
Por lo tanto
V 2 es igual a menos V 1 más V. b. más V. b.
Entonces
V 2 es igual a menos V 1 más dos veces V. b.
La cantidad máxima de trabajo hecho sobre la paleta ocurre cuando toda la energía cinética en el flujo de
vapor es convertida a trabajo, esto es, cuando la energía cinética del flujo saliendo de la paleta es cero. Esto
implica que la velocidad absoluta del flujo de salida de la paleta debe ser cero, lo cual ocurre solamente
cuando V 2 es igual a 0, esto es:
V 2 es igual a menos V 1 más dos veces V. b.
Por lo tanto Cero es igual a menos V 1 más dos veces V. b.
Entonces:
V 1 es igual a dos veces V. b.
Finalmente:
V. b. es igual a un medio por V 1.
O sea, para obtener un trabajo máximo de una paleta en la que el flujo de vapor invierte exactamente su
sentido, la velocidad de la paleta debe ser la mitad de la velocidad del vapor.
Hay realmente dos fuerzas diferentes actuando sobre la paleta descrita, a saber, primero la acción (impulso)
del chorro de vapor golpeando la paleta a la entrada, y segundo, la fuerza reactiva debida al cambio de
dirección del flujo del vapor entre la entrada y la salida de la paleta.
En turbinas reales, debido a consideraciones mecánicas, es impráctico utilizar el amplio rendimiento que se
deriva de un cambio de sentido completo del vapor, aunque, según veremos más adelante, nos aproximamos
bastante a esta condición en las turbinas de tipo de flujo tangencial. Es el tipo de más uso, las paletas se
instalan de modo tal, que aparecen proyectadas radialmente a la rueda, y las toberas son colocadas de modo
que el flujo de vapor entra a un ángulo con respecto al plano de rotación.
Las variaciones de presión y velocidad que tienen lugar en la tobera y paletas. La única caída de presión
tiene lugar en la tobera. Esto es, la presión del vapor es la misma al hacer su entrada en la paleta que al
abandonarla.
3.4. DIAGRAMA VECTORIAL DE VELOCIDAD PARA UN EMPALETADO DE ACCIÓN.
En el análisis del funcionamiento de las turbinas, es una práctica común hacer uso del diagrama vectorial de
velocidad y del diagrama de fuerza. En el diagrama vectorial de velocidad para una corona o hilera simple de
paletas de acción, a la que aplicamos la siguiente nomenclatura:
Alfa igual a Ángulo de entrada del vapor (ángulo de tobera).
Beta igual a Ángulo de entrada de paleta.
Gama igual a Ángulo de salida de paleta.
V 1 igual a Velocidad absoluta de entrada de vapor.
V 2 igual a Velocidad relativa de entrada de vapor.
V 3 igual a Velocidad relativa de salida de vapor.
V 4 igual a Velocidad absoluta de salida de vapor.
V. b. igual a Velocidad de la paleta.
La componente de la velocidad absoluta de entrada de vapor V 1 en la dirección del movimiento de la paleta
se muestra por el vector:
F. A. igual a V 1 por el coseno de alfa que es igual a V 2 por el coseno de beta más V. b.
Mientras más pequeño podamos hacer el ángulo alfa, mayor será la componente F. A. y puesto que sólo esta
componente es la que realiza trabajo sobre la paleta, el ángulo de entrada del vapor, o ángulo de tobera se
hará tan pequeño como las consideraciones mecánicas lo permitan. Dicho ángulo varía generalmente entre
doce y veinticinco grados. Además, mientras más nos aproximemos al logro de una completa inversión del
vapor, más trabajo se hará sobre la paleta. Es también necesario, por lo tanto, hacer que el ángulo de salida
de paleta alfa sea tan pequeño como las limitaciones mecánicas lo permitan.
El diagrama de fuerza para una corona o hilera simple de paletas de acción. Una masa de vapor que entra en
una corona o hilera de paletas móviles con una velocidad relativa V 2 tendrá una cantidad de movimiento
(momento) que ejercerá una fuerza de impulso o acción F 1 en la dirección de V 2. La misma masa de vapor
dejando la corona de paletas móviles con una velocidad relativa V 3 ejercerá una fuerza relativa F 2 sobre la
paleta, opuesta en dirección a V 3. Las fuerzas F 1 y F 2 pueden cada una ser descompuestas en
componentes ortogonales o componentes mutuamente perpendiculares, o sea, una componente será en la
dirección de giro y la otra en la dirección del eje de la turbina perpendicular al plano de rotación. F 1 por lo
tanto es descompuesta en el empuje axial debido a la velocidad de entrada T 1, y el impulso o acción del
chorro de vapor sobre la paleta a la entrada R 1. F 2 es descompuesta en un empuje axial reactivo debido a la
velocidad de salida del vapor T 2, y una fuerza reactiva debida al cambio de dirección del flujo del vapor R 2.
R 1 y R 2 son fuerzas en el mismo sentido, dando lugar a una rotación, T 1 y T 2 son fuerzas en sentidos
opuestos. Si V 3 es igual a V 2 en magnitud, asumiendo que no existe fricción entre el vapor y la paleta, y si el
ángulo alfa de salida de la paleta es igual al ángulo beta de entrada de la paleta, entonces las componentes T
1 y T 2 serán iguales pero de sentidos opuestos, y su resultante producirá un empuje axial igual a cero que es
más deseable en una turbina. Puesto que en la práctica hay siempre fricción y V 3 es menor que V 2, es
necesario hacer al ángulo alfa ligeramente mayor que al ángulo beta de modo que T 2 sea igual en magnitud
a T 1 y pueda obtenerse un empuje axial igual a cero.
En el artículo anterior se dijo que, para obtener un trabajo máximo de un chorro de vapor golpeando una
paleta de acción, éste debe dejar las paletas con cero de velocidad absoluta. Es evidente que ésta condición
no puede ser cumplida con nada que no sea una completa inversión del flujo de vapor, porque allí siempre
habrá una velocidad absoluta de salida V 4, como resultante de las velocidades V. b. y V 3. Sin embargo, si
ésta velocidad de salida es reducida a un mínimo, se obtendrá un máximo de trabajo, y este mínimo se logra
cuando V 4 es perpendicular a V. b. Para esta condición, si V 2 = V 3, y el ángulo beta es igual al ángulo
gama.
El vector D. E. es igual a F.C.
Pero el vector D. E. igual a C.A. igual a V. b.
Por lo tanto F. A. es igual a dos veces V. b.
Y el vector F. A. es igual a V 1 por el coseno de alfa.
Por lo tanto dos veces V. b. es igual a V 1 por el coseno de alfa.
Por lo tanto V. b. es igual a un medio de V 1 por el coseno de alfa.
Esto es, para obtener un trabajo máximo de un empaletado de acción cuando el vapor entra en la paleta a un
ángulo alfa, la velocidad de la paleta debe ser igual a un medio del coseno de alfa multiplicado por la
velocidad absoluta de entrada del vapor.
Todo el análisis anterior es aplicable, por supuesto, sólo bajo ciertas condiciones, esto es, a una velocidad
determinada de la turbina. En la práctica es costumbre diseñar la turbina de modo que su condición de
máximo trabajo tenga lugar a la velocidad en que es más usada; en el caso de turbinas navales empleadas en
la propulsión de buques de guerra, ésta está en su potencia máxima o próxima a ella, a fin de mejorar su radio
de acción en combate.
Realmente la fricción se encuentra presente en toda máquina, por lo que deben hacerse, si es preciso,
modificaciones al diseño ideal para compensar estos efectos perjudiciales. La fricción se reduce hasta donde
es posible mediante un cuidadoso diseño y un fino acabado de toberas, paletas y otras piezas móviles.
Existen otras pérdidas que también hemos de considerar en las turbinas, tales como fugas o salideros,
radiación, resistencia del fluido, etc., que serán tratadas más adelante.
3.5. RELACIONES ENTRE LAS DIFERENTES VELOCIDADES DEL VAPOR EN UN EMPALETADO DE
REACCIÓN.
La turbina de reacción simple solamente depende para su operación de la fuerza reactiva del vapor, debida al
aumento de velocidad que experimenta a medida que se expande a través de las toberas fijas en la corona de
la rueda de la turbina. Tal turbina es, sin embargo, inapropiada para uso práctico, debido a las dificultades
mecánicas que implican su construcción y operación. En la práctica, las toberas de una turbina simple son
reemplazadas por álabes curvos, o paletas, que se proyectan radialmente en la periferia de la rueda o rotor,
formadas y dispuestas de tal modo que la sección transversal de los espacios entre las paletas adyacentes
tienen la forma de toberas. A fin de dirigir el vapor hacia estos espacios, es preciso instalar paletas fijas de
forma similar, las que se aseguran a la envuelta que rodea el rotor, disponiéndolas entre hileras o coronas
sucesivas de paletas móviles.
La forma de los espacios entre paletas es similar en ambas, las fijas y las móviles. Por lo tanto el vapor se
expandirá en su paso a través de ambos tipos de paletas, experimentando en ambos un cambio de dirección y
un aumento en su velocidad debido al paso de una zona de alta presión a otra zona de presión más baja. La
acción del vapor en este tipo de turbina es, por lo tanto, triple, o sea: 1. una reacción debida al cambio de
dirección y sentido, 2. una reacción debida al aumento en la magnitud de la velocidad del vapor, y 3. una
acción debida a la alta velocidad del vapor que procedente de las paletas fijas, golpea las paletas móviles.
Esta turbina no es, por lo tanto, del tipo de reacción pura, pero, ya que su principal fuente de energía proviene
de la fuerza reactiva del vapor, generalmente nos referimos a ella como una turbina de reacción para
distinguirla del otro tipo previamente descrito, en que la principal fuente de energía se deriva del impacto
(impulso o acción) del vapor sobre las paletas, y que conocemos con el nombre de turbina de acción.
3.6. DIAGRAMA VECTORIAL DE VELOCIDAD PARA UN EMPALETADO DE REACCIÓN.
Al igual que con la turbina de acción, con la turbina de reacción podemos utilizar el diagrama vectorial de
velocidad y el diagrama de fuerza en el análisis de su funcionamiento.
Nuevamente como en la turbina de acción, la componente de la velocidad absoluta de entrada de vapor V 1 la
cual indica la dirección del movimiento de la paleta, se muestra por el vector.
CAPÍTULO CUATRO.
CLASIFICACIÓN DESCRIPTIVA.
4.1. GENERALIDADES.
Las turbinas de vapor se divididen en dos tipos generales de acuerdo con el principio bajo el cual operan y
son de acción o reacción. Dentro de estos dos tipos pueden hacerse otras clasificaciones, basadas en:
a. Etapas.
b. División del flujo.
c. Dirección del flujo.
d. Repetición del flujo.
Cada una de estas clasificaciones será ahora considerada y explicada en orden.
4.2. CLASIFICACIÓN POR ETAPAS.
En una turbina de acción simple se presenta una caída de presión en las toberas, resultando un aumento de
velocidad. Sin embargo, la presión entre la entrada y salida de las paletas permanece invariable. Más
adelante veremos que cada juego o serie de toberas puede ser seguida por otra hilera o corona de paletas
móviles, con hileras alternadas por paletas fijas directrices, (redireccionan el vapor) pero en tal caso no hay
caída de presión en estas paletas. Cualquier combinación de una tobera (o juego de toberas) con una o más
hileras o coronas de paletas en que tenga lugar una simple o única caída de presión entre la entrada de la
tobera y la salida de la última hilera o corona de paletas, es llamada una “etapa”, por lo tanto podemos definir
como etapa en una turbina de acción a un juego de toberas y su sucesiva hilera o hileras de paletas móviles y
fijas.
En la turbina de reacción la presión cae en cada hilera o corona de paletas, ya sean fijas o móviles. La
combinación de una hilera de paletas fijas y la sucesiva hilera de paletas móviles es algunas veces llamada
una doble etapa. Sin embargo, para simplificar.
Entiéndase en éste texto de turbinas, que cuando hablamos de una etapa de reacción, se trata de una hilera
de paletas fijas y la sucesiva hilera de paletas móviles.
Basadas en la definición de una etapa de acción, las turbinas de acción se clasifican de acuerdo con el arreglo
o disposición de las etapas sucesivas, como sigue:
1. Simple.
2. De velocidad compuesta.
3. De presión compuesta.
4. De velocidad y presión compuesta.
Las turbinas de reacción son todas de Presión Compuesta.
Cualquier turbina que convierta la energía cinética en trabajo, utilizando para ello más de una hilera de paletas
móviles, es una turbina compuesta, las turbinas son compuestas a fin de lograr una velocidad de paleta ideal
dentro de los límites de la resistencia de los materiales empleados.
1. Turbina de acción simple.
Como se ha dicho previamente, consiste de una o más toberas fijas que descargan contra una hilera única de
paletas montadas sobre la periferia de una rueda. El vapor se expande desde la presión inicial a la presión
final en un juego simple de toberas, adquiriendo una velocidad muy alta y, después de pasar a través de la
hilera única de paletas, fluye hacia la descarga. El trabajo máximo en una turbina de acción se obtiene cuando
la velocidad de la paleta es igual a un medio del coseno de alfa multiplicado por la velocidad del vapor, siendo
alfa, el ángulo de entrada del vapor. En instalaciones propulsoras de buques, se usan presiones de entrada de
vapor tan altas como mil doscientas libras sobre pulgada cuadrada de presión absoluta, con grados variables
de recalentamiento. Cuando el vapor saturado seco se expande desde una presión inicial de cuatrocientos
veinticinco libras sobre pulgada cuadrada de presión absoluta hasta una presión final o de descarga de una un
cuarto de libras sobre pulgada cuadrada de presión absoluta, la velocidad del vapor de descarga de la tobera
es aproximadamente cuatro mil quinientos pies por segundo. Si suponemos un ángulo de entrada, alfa de
treinta grados, daría como resultado la obtención de una velocidad de paleta de mil novecientos cincuenta
pies por segundo a fin de lograr un máximo de trabajo de la misma. Una velocidad semejante de paleta sería
prohibitiva a causa de la enorme fuerza centrífuga a que daría lugar. El límite en cuanto a velocidad periférica
a que se refiere, está determinado por la capacidad física de los materiales de que se disponga.
Obviamente de conformidad con lo expresado, si hemos de usar una turbina de acción simple debemos
aceptar una velocidad de paleta inferior, con lo cual rendiría su máximo de trabajo por libra de vapor. En otras
palabras, debemos imponerle una carga a la turbina, que reduzca la velocidad periférica hasta colocarla
dentro del límite de seguridad. Al hacerlo la paleta no absorberá una cantidad máxima de energía cinética y el
vapor abandonará la misma con una velocidad relativamente alta. Esta velocidad contiene energía cinética
que no es absorbida por las paletas, representando por tanto una pérdida.
Esta pérdida puede verse claramente por medio del estudio del diagrama vectorial de velocidad de la turbina
de acción. La velocidad absoluta de entrada de vapor, V 1, para éste caso particular es de cuatro mil pies por
segundo, y el ángulo de entrada del vapor, alfa, es de treinta grados. El diagrama está trazado para una
condición de trabajo máximo, es decir, cuando la velocidad de la paleta es igual a V 1 por un medio del
coseno de alfa o cuando V. b. es igual a cuatro mil por un medio del coseno de treinta que es igual a mil
setecientos treinta y dos pies por segundo. Situando este vector, V. b., sobre el extremo de V 1, podemos
completar el diagrama. Midiendo el vector que representa la velocidad absoluta de salida V 4, encontraremos
que es aproximadamente de dos mil pies por segundo.
No olvidemos que se aplica sólo a una serie de condiciones dadas. En la práctica las turbinas usualmente
funcionan a velocidades variables y naturalmente las cantidades de energía cinética suministradas variarán
también. Entre dos o más turbinas iguales, la mayor o menor eficiencia dependerá de la relación entre la
velocidad de la paleta y la velocidad absoluta de entrada de vapor. En el caso de la turbina de acción simple,
hemos visto cómo una baja velocidad de la paleta ha reducido la eficiencia de este tipo de turbina. Con
desarrollo de mejores materiales y mano de obra más capaz, las velocidades de las paletas tienden a ir en
aumento, con un correspondiente aumento en la eficiencia, hasta que éstas se aproximen a la velocidad ideal,
en cuyo momento la eficiencia de la turbina simple podrá compararse más favorablemente.
No obstante la inherente ineficiencia de la turbina de acción simple, su simplicidad de diseño y construcción la
hacen apropiada para algunos tipos de turbinas auxiliares, de tamaño más pequeño. El orificio igualador ha
sido practicado a través de la rueda de la turbina con el propósito de que no exista una diferencia de presión
entre los lados de la misma, que daría por resultado un esfuerzo longitudinal o empuje axial. Los prensa
estopas o sellos obturadores se instalan para reducir las fugas o salideros de vapor a lo largo del eje.
La etapa simple de acción es llamada algunas veces “Etapa Ratou”.
2. Turbina de acción de velocidad compuesta.
Para evitar la pérdida de energía resultante de la relativamente alta velocidad residual del vapor en una
turbina de acción simple dos o más hileras o coronas pueden montarse sobre la periferia de la rueda simple o
única, con adecuadas paletas estacionarias (directrices) las cuales están fijas en la envuelta y colocadas entre
éstas hileras de paletas móviles. La expansión del vapor tiene lugar en un juego simple de toberas como en el
tipo de acción simple. Después de pasar el vapor a través de la primera hilera de paletas móviles, éste se
encuentra todavía animado de una alta velocidad residual, pasa entonces a través de una hilera de paletas
fijas directrices. Esta hilera de paletas directrices o guías dirigen la corriente o flujo de vapor hacia una
segunda hilera de paletas móviles.
Este tipo es conocido como una turbina de acción de velocidad compuesta. Es común que una etapa simple
de éste tipo de turbina tenga dos hileras de paletas móviles, aunque han sido usadas hasta cinco.
Consideramos ahora la completa inversión del vapor. Las relaciones de velocidad en el caso de una turbina
de acción de velocidad compuesta que tiene una hilera de paletas fijas (directrices) y dos hileras de paletas
móviles.
Si fuera posible una inversión completa del vapor podría obtenerse teóricamente, un máximo de trabajo al
abandonar este vapor las paletas con una velocidad absoluta igual a cero. En ésta condición, toda la energía
cinética del vapor sería transferida a las paletas.
En otras palabras, en lugar de tener una velocidad de paleta igual a la mitad de la velocidad del vapor, a fin de
obtener un máximo de trabajo, tal como es preciso en la turbina de acción simple, ahora podemos lograr un
máximo de trabajo con una velocidad de paleta igual a un cuarto de la velocidad del vapor. Podemos ver
fácilmente que añadiendo más hileras de paletas móviles y fijas es posible hacer que la velocidad ideal de
paleta sea un sexto, un octavo, etc., de la velocidad del vapor.
En la práctica, hay una limitación al número de hileras o coronas de paletas que pueden usarse debido a las
pérdidas por fricción, turbulencia y resistencia del fluido.
En el plano seccional desarrollado por las toberas indicando las variaciones de presión, y una comparación de
las velocidades absolutas del vapor para una velocidad ideal de paleta y una velocidad menor que la ideal.
Las paletas correspondientes al extremo de descarga son más largas y están más distantes una de otras que
las correspondientes al lado o extremo de entrada. Esto se hace con el fin de que el mismo peso de vapor que
pasa a través de la primera hilera de paletas animado de alta velocidad, pueda pasar a través de la última
hilera de paletas ya con la velocidad disminuida, o sea, con una velocidad relativamente baja. Recordemos
nuevamente que no hay caída de presión en las paletas de una turbina de acción. La caída de presión ocurre
exclusivamente en las toberas.
No debe olvidarse al estudiar los diagramas vectoriales de velocidad y planos desarrollados de toberas y
empaletados que las condiciones representadas son teóricas. Realmente hay pequeñas pérdidas por fricción,
turbulencia, resistencia del fluido, etc., que no pueden mostrarse. También los diagramas representan sólo
una serie de condiciones.
La etapa de acción de velocidad compuesta, que acabamos de estudiar, es llamada algunas veces “Etapa
Curtis”.
3. Turbinas de acción de presión compuesta.
En vez de hacer que la caída total de presión de vapor tenga lugar en sólo un juego de toberas, como sucede
en los dos tipos, ésta caída puede hacerse escalonada, es decir, dividida en dos o más pasos o saltos. El
efecto resultante es el de un número de turbinas de acción simple dispuestas en serie, de modo que el vapor
al abandonar la primera turbina, en lugar de ir hacia el escape, fluye a través de un segundo juego de toberas,
de aquí a una segunda hilera de paletas, y así sucesivamente, dependiendo del número de turbinas
dispuestas en serie. Puesto que tiene lugar una caída simple de presión en cada juego de toberas, cada
combinación de un juego de toberas y su sucesiva hilera de paletas constituye una etapa. Por lo tanto, éste
tipo es conocido como turbina de “etapas múltiples”, y ya que todo el emplazamiento consiste de una serie
compuesta de etapas de presión, se le identifica como una turbina de acción de presión compuesta.
Este tipo de turbina cuenta con una composición de cuatro etapas de presión. El vapor de la caja o cámara de
distribución entra en las toberas de la primera etapa donde se expande y aumenta en velocidad, pasando
entonces a través de la primera hilera de paletas cediendo en su paso parte de esa velocidad. De éstas
paletas entra en un segundo juego de toberas, repitiéndose el proceso a través de todas las etapas. La
presión, en cada caso, cae sólo en las toberas, permaneciendo constante en las paletas. La caída total de
presión, desde la caja o cámara de distribución hasta la descarga, es de ésta forma dividida en tantos pasos o
saltos como etapas haya. Esto da como resultado una caída relativamente baja de presión en cada juego de
toberas y por lo tanto en una velocidad absoluta de entrada de vapor relativamente baja para cada etapa. Si
usamos un número suficiente de etapas de presión podemos obtener con esto una velocidad ideal de paleta
que está dentro de las limitaciones prácticas impuestas por la resistencia de los materiales disponibles. En la
práctica naval no es deseable añadir suficientes etapas en una envuelta a fin de lograr una velocidad de
paleta práctica o factible, ya que esto haría la turbina indebidamente larga para su uso a bordo. En su lugar,
es costumbre usar dos o más turbinas. La turbina de Presión Compuesta, siendo una serie de etapas Ratou
colocadas juntas en una envuelta, es llamada algunas veces “Turbina Ratou”.
4. Turbina de velocidad y presión compuesta.
Mientras más nos aproximemos a la velocidad ideal de la paleta, más eficiente se hará la turbina y como
veremos más tarde, combinando la turbina de presión compuesta con la turbina de velocidad compuesta
podremos lograr la velocidad ideal de paleta práctica o factible en una turbina relativamente corta. En las
modernas turbinas de alta presión propulsoras de buques es costumbre combinar en la misma envuelta una
etapa de composición de velocidad con alguna otra forma. Cuando se instala una etapa de Velocidad
Compuesta en una misma envuelta conjuntamente con etapas de presión compuesta, tenemos una turbina de
velocidad y presión compuesta. La etapa de velocidad compuesta es puesta siempre en el extremo de alta
presión de la turbina y sirve para absorber, en una simple etapa, una gran parte de la caída total de presión y
temperatura del vapor. La energía restante es absorbida entonces en el elemento de presión compuesta. A
causa de que la presión ha sido ya grandemente reducida en la etapa de velocidad compuesta, hay necesidad
relativamente de pocas etapas de presión compuesta para lograr una velocidad ideal de paleta práctica.
Además de la reducción en la longitud de la turbina, el empaletado de velocidad compuesta provoca una gran
e inmediata reducción en la temperatura y presión, que permite el uso o empleo de materiales más ligeros y
económicos en todo el resto de la turbina. Las turbinas de acción de Velocidad y Presión Compuesta son
nombradas ocasionalmente como “Turbinas Curtis”.
5. Turbina de reacción.
La llamada Turbina de Reacción es, estrictamente hablando, una unidad de acción y reacción. Parte del
trabajo se realiza por la acción del vapor que entra en los pasajes de las paletas y parte por la reacción del
vapor al abandonar estos pasajes. Sin embargo, nos referimos convencionalmente a este tipo llamándole
turbina de reacción.
En el diagrama vectorial de velocidad de la turbina de reacción, a fin de obtener un máximo de trabajo, la
velocidad de la paleta debía ser igual a la velocidad de entrada del vapor multiplicado por el coseno del ángulo
de entrada del vapor que procede de la primera hilera de paletas fijas, o sea, el ángulo alfa, con un valor de
treinta grados; y el vapor animado de una velocidad de cuatro mil pies sobre segundo, entonces la velocidad
ideal de paleta para una turbina de reacción de una etapa tendría que ser tres mil cuatrocientos setenta pies
sobre segundo, una velocidad de paleta semejante produciría una fuerza centrífuga muy por encima de las
limitaciones físicas que imponen los materiales disponibles. Por esta razón todas las turbinas de reacción son
de presión compuesta, esto es, se disponen de modo que la caída de presión que tiene lugar entre la entrada
y la salida de la turbina quede fraccionada en muchos pasos o saltos mediante hileras alternadas de paletas
fijas y móviles. La caída de presión en cada juego de paletas fijas y móviles (es decir, en cada etapa) es por
tanto pequeña, consiguiéndose con esto disminuir la velocidad del vapor en cada etapa y consecuentemente
una velocidad ideal de la paleta disminuida para toda la turbina.
Las paletas fijas se aseguran a la envuelta y las móviles al rotor. El vapor se expande en ambos pasajes, los
de paletas fijas y los de paletas móviles, existiendo, por lo tanto, prácticamente una expansión continua del
vapor entre el lado de admisión o de entrada de la turbina y el lado de descarga. La cámara circular de
admisión de vapor o cinturón de vapor se extiende alrededor de toda la circunferencia de la primera hilera de
paletas fijas. Puesto que hay una caída de presión en cada hilera de paletas, hay una pronunciada tendencia
a las fugas de vapor por las puntas de las paletas, precisándose huelgos radiales extremadamente pequeños
entre las puntas de las paletas móviles y la envuelta, y entre las puntas de las paletas fijas y el rotor. Ya que el
volumen específico del vapor en el extremo de alta presión es pequeño, las paletas serán cortas, y el juego de
las puntas (los huelgos radiales a que hemos hecho referencia) llegará a constituir un porcentaje apreciable
de la longitud total de la paleta. Esto da como resultado fugas excesivas por las puntas de las paletas
correspondientes al extremo de alta presión, dando lugar a una pérdida en el rendimiento o eficiencia total.
El vapor entra a la turbina a través de la válvula de cuello y pasa a la cámara de distribución de vapor
proporcionando una completa admisión periférica de éste a la primera hilera de paletas fijas. En esas paletas
fijas el vapor se expande en los conductos o pasajes de forma de toberas (entre paletas adyacentes)
adquiriendo velocidad y dirección mientras experimenta una caída en su presión, entonces choca contra las
paletas móviles desarrollando trabajo en virtud de la presión dinámica ejercida (efecto de acción o impulso). El
vapor se expande nuevamente en su paso a través de estas paletas móviles, realizando más trabajo adicional
por efecto de ésta expansión y debido al cambio en su dirección. El vapor continúa éste proceso
alternativamente a través de paletas fijas y móviles hasta que abandonan la última hilera de paletas móviles y
descarga al condensador.
Por razones que se expondrán más adelante, cuando son usados empaletados de reacción en turbinas de
alta presión son usualmente combinados con alguna forma de empaletado de acción. Las turbinas de baja
presión son frecuentemente del tipo de empaletado de reacción exclusivamente. La práctica usual en turbinas
de baja presión es diseñarlas de modo que el vapor entra por el centro de la turbina dividiéndose y fluyendo
en sentidos opuestos hacia las cámaras de escape localizadas en cada extremo. Las turbinas de éste diseño
son llamadas turbinas de “doble flujo”.
Recordemos que en una turbina de reacción hay un empuje en el sentido del flujo del vapor. Este perjudicial
empuje es eliminado en una turbina de doble flujo debido a que el empuje en una mitad de la turbina es
equilibrado por un empuje igual y contrario en la otra mitad. La turbina de doble flujo tiene también la ventaja
de que sus paletas son más cortas. En la turbina de simple flujo con una baja presión de descarga, el vapor se
expande a gran volumen en el extremo de baja presión, de aquí que es preciso utilizar paletas excesivamente
largas o hacer muy grande el diámetro del rotor en ésta parte de la turbina, para permitir el libre flujo de vapor.
En la turbina de doble flujo como el cincuenta por ciento del vapor fluye hacia cada mitad las paletas o el rotor,
necesitan sólo tener sus dimensiones ligeramente mayores que la mitad de las que es preciso darles en una
turbina de simple flujo.
En las turbinas de este tipo las paletas se hacen progresivamente mayores de las etapas de alta presión a las
etapas de baja presión. Este tipo de construcción deja espacio para la expansión gradual del vapor que tiene
lugar en los pasajes de paleta de cada hilera o corona. Sin embargo, para reducir el costo de fabricación, es
costumbre algunas veces instalar un número de hileras de paletas fijas y móviles de la misma longitud,
seguida por una serie de paletas mayores y así sucesivamente a lo largo de toda la turbina. Otra práctica es
hacer el rotor y la envuelta en pasos de diámetros crecientes e instalar varias hileras de paletas idénticas en
cada paso. Algunas veces las dos prácticas citadas se combinan para hacer una turbina con una serie de
pasos, cada uno dotado de varias hileras de paletas idénticas, y siendo cada grupo de paletas mayor que el
precedente. Una serie de paletas de igual diámetro de paso e iguales en longitud recibe el nombre de una
expansión. Por Diámetro de Paso (o paso circular) se entiende la distancia entre puntos situados en la mitad
de paletas localizadas en lados del rotor opuesto diametralmente. La longitud de las paletas en cualquier
expansión dada, es la requerida por el volumen y velocidad promedio del vapor en toda esa expansión. Las
primeras hileras de paletas son, por lo tanto demasiado cortas y las últimas demasiado largas. En este tipo de
turbinas se tiene instalada en la misma envuelta un elemento para Ciar, que consiste de una etapa de acción
de velocidad compuesta en cada extremo, dispuestas de tal modo que puedan admitir el vapor y hacerlo fluir
hacia el centro de la turbina hasta su evacuación. El citado elemento gira en vacío cuando el empaletado de
reacción (elemento de avante) está en operación.
Una turbina de reacción exclusivamente, es decir, no combinada con algún otro sistema es llamada
frecuentemente “Turbina Parsons”, y al empaletado de reacción de la misma se le conoce también como
“Empaletado Parsons”.
4.3. TURBINA COMPUESTA.
Además de los tipos básicos descritos, se han ideado otros como resultado de combinar ventajosamente los
principios o tipos de Acción y Reacción en una sola turbina. La turbina de reacción exclusivamente, es
desventajosa con altas presiones y temperaturas. A altas presiones, como ha sido previamente señalado, es
necesario hacer tan pequeñas las paletas de la primera etapa que la razón de las fugas por las puntas de las
mismas es excesiva; además, las altas temperaturas son llevadas a través de muchas hileras, lo que origina
distorsión a menos que sean empleados materiales especiales, y por ende costosos, en la manufactura de
envueltas, rotores y empaletados a fin de mantener las propiedades mecánicas necesarias de resistencia y
rigidez, así como evitar también los desalineamientos que pudieran tener lugar.
Sin embargo, si una etapa de acción de velocidad compuesta es empleada en el extremo de alta presión, una
gran caída de temperatura y presión, puede efectuarse en las toberas de ésta primera etapa, de modo que la
presión y temperatura del vapor que golpea el empaletado es comparativamente baja. Esto significa que una
gran parte de la energía cinética disponible es convertida en la rueda de velocidad compuesta, requiriéndose
pocas hileras restantes de reacción para completar la extracción de energía, dando como resultado una
turbina más corta. También, puesto que la presión y la temperatura del vapor en el empaletado de reacción
son comparativamente bajas, podrán usarse materiales más ligeros y baratos en esta parte de la turbina.
A esta turbina de combinación o compuesta se le llama frecuentemente “Turbina Parsons Modificada”.
4.4. PERDIDAS EN LAS TURBINAS.
En discusiones precedentes se ha hecho mención a las pérdidas de energía que tienen lugar en todas las
turbinas. Hay un número de razones por las cuales, en la práctica real, no toda la energía térmica del vapor se
convierte en trabajo útil. Todas las pérdidas que tienen lugar pueden agruparse en dos clases, a saber, 1.
Pérdidas externas y 2. Pérdidas internas.
1. Las Pérdidas Externas pueden ser de tres clases:
a. Pérdida en la substancia de trabajo. Son las pérdidas de vapor que tienen lugar por los empaques o sellos en los lugares donde el eje sobresale de la envuelta de la turbina.
b. Pérdida de calor. Es la pérdida de calor de la turbina al cederlo en parte a la atmósfera que lo rodea y a la estructura del buque a través de los procesos de radiación, convección y conducción.
c. Pérdida de trabajo. Son pérdidas debidas a la fricción mecánica entre las partes móviles de la turbina tales como chumacéras, engranajes reductores, etc.
2. Pérdidas Internas. Las turbinas de acción y reacción están sujetas a las pérdidas por estrangulamiento, de salida y del fluido.
a. Pérdida por estrangulamiento. Pérdida que se presenta siempre que el vapor pase a través de una válvula de admisión y experimente una caída de presión sin haber realizado un trabajo.
b. Pérdida de salida. Para que el vapor pase a través de una turbina, debe tener una velocidad residual cuando la abandona. La energía cinética de esta velocidad residual del vapor (V 4 velocidad final absoluta de salida) representa una pérdida que es llamada perdida de salida.
c. Pérdida por resistencia del fluido, es causada por la fricción del fluido a medida que la rueda de la turbina y paletas rotan en el vapor que las rodea.
Además de las pérdidas internas citadas, las cuales son comunes a ambas, las turbinas de acción y las de reacción, hay otras pérdidas que son inherentes sólo a uno u otro tipo.
Las pérdidas internas comunes exclusivamente a la turbina de Acción son:
a. Pérdida en la tobera, es causada por la fricción a medida que el vapor pasa sobre las paredes de la tobera.
b. Pérdida en la paleta, es causada por la fricción a medida que el vapor pasa sobre las mismas.
c. Pérdida por la empaquetadura del diafragma, causado por la fuga de vapor de una a otra etapa a través del empaque del mismo.
Las pérdidas internas comunes a la turbina de reacción son:
a. Pérdida en la paleta y tobera. Aunque una turbina de reacción no tiene toberas, como tales, los espacios entre las paletas actúan como toberas, y a medida que el vapor pasa a través de estos espacios o pasajes hay fricción entre él y las paletas, resultando en pérdidas conocidas con este nombre.
b. Pérdida por fugas en las puntas. Se presentan al haber una caída de presión a medida que el vapor pasa de un juego de paletas a la próxima, hay una tendencia por parte de éste vapor a fugarse por las puntas de ambas paletas, móviles y fijas, sin realizar algún trabajo.
4.5. COMPARACIÓN ENTRE LA TURBINA DE ACCIÓN Y LA TURBINA DE REACCIÓN.
Antes de seguir adelante es conveniente distinguir claramente los términos acción y reacción, según se
aplican a los empaletados de las turbinas. Dentro de cualquier etapa de una turbina de acción la única caída
de presión que tiene lugar es la que ocurre en las toberas. Sin importar el número de hileras de paletas fijas y
móviles la presión sigue siendo la misma a través de todo el empaletado de la etapa en cuestión. El efecto del
chorro de vapor sobre el empaletado es puramente el de la presión dinámica o presión de choque y es
completamente independiente de cualquier acción expansiva del vapor. Una corriente de cualquier clase de
partículas, tales como arena o municiones, si viajaran a la misma velocidad harían el mismo efecto general. El
pasaje entre paletas adyacentes es normalmente uniforme en su área de sección transversal, ya que su
función es solamente cambiar la dirección del vapor. Cualquier pequeña diferencia de presión que pudiera
tender a desarrollarse es igualada por los agujeros igualadores practicados en las ruedas de la turbina.
En la turbina de reacción las paletas fijas o estacionarias corresponden a las toberas de la turbina de acción,
es decir, tienen la misma función. Los pasajes curvos (espacios entre paletas adyacentes) en las paletas
móviles no sólo absorben parte de la energía del vapor suministrado a ellas por el aro del empaletado fijo, sino
que también generan energía cinética adicional, permitiendo que el vapor se expanda dentro de ellos mismos;
parte de esta energía es absorbida por las paletas móviles, y el vapor finalmente las abandona con
aproximadamente la misma velocidad con que entró en las paletas fijas aunque, por supuesto, con menor
presión. En virtud de que ellas también permiten la expansión del vapor, los pasajes entre las paletas móviles
son de forma similar a aquellos entre las paletas fijas o estacionarias, esto es, en forma de toberas. De hecho,
las paletas móviles y las fijas dentro de cada etapa son idénticas en cuanto a la forma de su sección
transversal.
Las diferencias básicas entre las turbinas de acción y las de reacción están resumidas en la Tabla 1. La
turbina compuesta o de combinación (Parsons modificada) no se incluye, ya que sus características son una
combinación de las de ambos tipos, es decir, los tipos de acción y los de reacción.
4.6. CLASIFICACIÓN POR LA DIVISIÓN DEL FLUJO.
Las turbinas pueden ser clasificadas con respecto al orden de la sucesión del flujo del vapor a través de los
diversos elementos que comprende la unidad total de la turbina. De acuerdo con esta clasificación las turbinas
pueden dividirse en los siguientes tipos:
1. Flujo simple.
2. Flujo compuesto.
a. Flujo compuesto cruzado o transversal.
b. Flujo compuesto en tándem.
3. Doble flujo.
4. Triple flujo.
1. Turbina de flujo simple.
En la turbina de flujo simple el vapor entra por el extremo de admisión (extremo correspondiente a la válvula
de cuello), fluye a través del empaletado en una dirección aproximadamente paralela al eje y sale por el
extremo correspondiente al escape, desde donde pasa al condensador.
2. Turbina de flujo compuesto.
En turbinas de pequeña o de moderada potencia es posible obtener una expansión completa del vapor en una
sola envuelta. Sin embargo, para grandes requisitos de potencia se necesitarían envueltas y rotores de tal
tamaño que crearían serias dificultades en su construcción. El peso de éstas partes podría también hacerse
tan considerable que se haría extremadamente difícil la labor de armado y desarmado con vistas a
inspecciones y reacondicionamientos. Es costumbre, por lo tanto, construir las turbinas de alta potencia
utilizando el sistema de flujo compuesto; de cuyo sistema se derivan dos tipos, a saber:
1. Compuesto cruzado o transversal.
2. Compuesto en tándem.
En ambos tipos el vapor se expande parcialmente en una turbina de alta presión, desde dónde pasa, a través
de un tubo cruzado o transversal, a una turbina de baja presión; completándose en ésta la expansión del
vapor y pasando posteriormente al condensador.
a. Turbina de flujo compuesto cruzado o transversal.
En éste tipo la unidad de alta presión y la unidad de baja presión están en ejes separados (generalmente
paralelos). Cada turbina puede accionar por separado un generador (u otra unidad), o las dos pueden
conectarse a través de engranajes a un eje común impulsando una sola unidad. Todas las turbinas modernas
propulsoras de buques, son del tipo de flujo compuesto cruzado. Las turbinas de alta y baja presión de cada
juego son conectadas a través de engranajes reductores a un solo eje propulsor.
b. Turbina de flujo compuesto en tándem.
En éste tipo la turbina de alta presión y la turbina de baja presión están en un solo eje, o en dos ejes en una
misma línea recta y unidos por medio de una unión o acoplamiento de modo que ambas turbinas impulsan el
mismo generador u otra unidad. Estas turbinas se usan en muy pocas instalaciones navales a causa de su
gran longitud, pero su empleo está muy generalizado en instalaciones terrestres.
3. Turbinas de doble flujo.
En una turbina de flujo simple de gran capacidad, con muy baja presión de descarga, el gran volumen de
vapor en las etapas de baja presión necesita paletas excesivamente largas, o un rotor de excesivo diámetro
en éstas etapas, a fin de permitir el libre paso del vapor y mantener la deseada razón entre la velocidad de la
paleta y la velocidad del vapor. Para salvar éstas dificultades las turbinas de baja presión son construidas
frecuentemente del tipo de doble flujo. Consiste de dos unidades de flujo simple instaladas sobre un eje, en la
misma envuelta, con la admisión de vapor en el centro, y el empaletado dispuesto para permitir el flujo de
vapor desde el centro hacia ambos extremos produciendo un efecto rotacional de igual sentido en ambas
ramas. Para volúmenes iguales de flujo de vapor, e iguales razones entre velocidades de paleta y de vapor,
las paletas de una turbina de doble flujo son ligeramente mayores que la mitad de la longitud de las que sería
preciso usar en una unidad de flujo simple que tuviere un rotor del mismo diámetro.
Puesto que iguales cantidades de vapor fluyen del centro hacia cada extremo, queda equilibrado el empuje
del vapor, eliminando con esto el indeseable esfuerzo axial de referencia. La mayoría de las turbinas de baja
presión de unidades propulsoras de buques son del tipo de doble flujo.
4.7. CLASIFICACIÓN POR LA DIRECCIÓN DEL FLUJO.
Las turbinas pueden clasificarse, de acuerdo con la dirección del flujo del vapor con relación a la rueda de la
turbina en:
1. Flujo Axial.
2. Flujo Radial.
3. Flujo tangencial o Helicoidal.
1. Turbina de flujo axial.
La gran mayoría de las turbinas, especialmente aquellas de media y alta potencia, son del tipo flujo axial. En
tales turbinas, como su nombre implica, el vapor fluye en una dirección aproximadamente paralela al eje de la
rueda o rotor, estando las paletas de éste proyectadas radialmente desde su periferia. Cualquier grado de
expansión que se desee se obtiene simplemente aumentando el número de hileras de paletas, y mediante el
aumento de la longitud de las paletas en las hileras sucesivas o el diámetro de las ruedas o rotor sobre el que
se montan las paletas.
2. Turbinas de flujo radial.
Si una turbina es construida de modo que el vapor fluya en una dirección radial, ya sea hacia el eje del rotor o
alejándose del mismo, recibe el nombre de Turbina de flujo radial.
El diseño de la turbina de Flujo Radial es complicado debido a los esfuerzos excesivos en las paletas, a las
dificultades en reducir las fugas de vapor por los empaques y puntas de las paletas, y otras características de
construcción. Su uso es, por tanto, limitado usualmente a unidades de pequeña y mediana potencia.
3. Turbinas de flujo tangencial o helicoidal.
Es la tercera clasificación de turbinas con respecto a la dirección del flujo del vapor. En ésta turbina el
elemento giratorio consiste de una rueda con ranuras semicirculares llamadas cucharas o cazoletas fresadas
oblicuamente en la periferia. Las toberas están localizadas alrededor de la periferia de la rueda, de tal modo
que el vapor fluye de las mismas en una dirección aproximadamente tangencial a la rueda y hacia el interior
de las cazoletas, dándole un impulso rotacional a la misma. La dirección del flujo de vapor se invierte en las
cazoletas, fluyendo entonces éste vapor hacia el lado opuesto del que hizo su entrada. Su dirección es de
nuevo invertida por una cazoleta redireccional o cámara de reversión, y fluye otra vez hacia las cazoletas
móviles; éste proceso se repite varias veces, después de lo cual el vapor sale a través de la abertura o
conducto de descarga. La turbina es una unidad de acción, de etapa única, de velocidad compuesta (la única
caída de presión tiene lugar en la tobera). Una tobera y el juego acompañante de cazoletas redireccionales o
cámaras de reversión son fundidas en una pieza, y puede instalarse cualquier número de éstos juegos de
tobera, hasta el límite impuesto por la circunferencia de la rueda. Éste tipo de turbina se construye sólo en
pequeñas unidades, de una potencia de pocos cientos de caballos de fuerza, usándose extensamente en el
servicio naval para accionar maquinaria auxiliar, especialmente ventiladores para el tiro forzado de las
calderas. Su eficiencia es razonablemente alta sobre un amplio régimen de velocidades, siendo por tanto
especialmente adaptable para unidades que requieren grandes variaciones de velocidad en su operación
normal.
4.8. CLASIFICACIÓN POR REPETICIÓN DEL FLUJO.
La cuarta clasificación de las turbinas es por repetición del flujo. Entiéndase por esto el número de veces que
el vapor pasa a través de la misma hilera de paletas entre su entrada y su salida. Sobre ésta base, las
turbinas se clasifican en:
1. Simple entrada.
2. Re entrada.
1. Turbina de simple entrada. La mayoría de las turbinas son del tipo de simple entrada, ya que el vapor pasa
sólo una vez a través de las paletas. Todas las turbinas de acción de etapas múltiples y las turbinas de
reacción son de éste tipo, como también lo son las de tipos radiales.
2. Turbinas de re entrada. La turbina de flujo tangencial descrita en el párrafo anterior es del tipo de re
entrada, y puesto que el flujo de vapor es en forma de una espiral o hélice, también se le conoce como turbina
de flujo helicoidal.
El rotor consiste de una rueda con una hilera única de paletas de acción. El vapor procedente de la cámara
de distribución entra en la tobera, adquiere alta velocidad, en consecuencia energía cinética, y es dirigido
contra la hilera de paletas móviles. Después de pasar a través de las paletas, el vapor descarga, en un
espacio llamado cámara de reversión. Aquí la dirección del flujo del vapor se invierte y es dirigido de nuevo
hacia la hilera de paletas móviles, pero por el lado opuesto de la tobera. El vapor fluye entonces nuevamente
a través de las paletas y descarga por el lado de la rueda donde está la tobera. Esta disposición corresponde
a una etapa de velocidad compuesta con dos hileras de paletas móviles en que las paletas estacionarias son
reemplazadas por la cámara de reversión.
En algunos diseños se emplea una segunda cámara de reversión lo que hace que el vapor fluya tres veces a
través de las paletas móviles. Por la razón de la gran pérdida por fricción que tiene lugar en las cámaras de
reversión, no es normal emplear más de dos de ellas. La energía adicional extraída por otro paso de vapor a
través de las paletas sería neutralizada por el aumento de la pérdida por fricción. A las turbinas de éste tipo se
les conoce como turbinas del tipo de doble re entrada.
4.9. TURBINAS DE CIAR.
Debe tenerse presente que las turbinas no pueden invertir el sentido de rotación como pueden hacerlo las
máquinas alternativas. Para propulsión naval hemos de usar unidades independientes para dar atrás, o sea,
turbinas de Ciar si queremos que el eje sea capaz de invertir su rotación. Mientras éstas no constituyan una
clasificación por separado, es conveniente incluirlas a fin de cubrir todas las unidades que comprenden las
instalaciones navales.
Las turbinas de Ciar para uso naval, pueden ser de tipo de acción de flujo simple. En general son mucho más
pequeñas y desarrollan sólo de un quinto a la mitad de la potencia máxima de las turbinas de avante. Puesto
que los buques de guerra requieren dar atrás solamente un porcentaje de tiempo mínimo del total en marcha,
se ha subestimado la importancia de una unidad de ciar económica y poderosa en beneficio de ahorro en
peso y espacio, dotándosele tan solo de la fuerza necesaria para asegurar suficiente capacidad para detener
el buque e invertir el sentido de su movimiento en un espacio razonablemente corto, para propósito de
maniobra de fondeo, maniobras de atraque, y para evitar posibles colisiones con otros buques. En el caso de
Portaviones debe satisfacerse un requisito extra, la habilidad para funcionar en marcha moderadamente alta y
facilitar el aterrizaje de aviones sobre la cubierta de anaveaje del buque.
La turbina de Ciar está instalada generalmente en la envuelta de la turbina de baja presión avante, con su
rotor montado directamente sobre el eje de la propia turbina. Esta disposición representa un ahorro
considerable en peso y espacio, lo que no resultaría con una turbina de Ciar por separado. Las turbinas de
Ciar dispuestas individuales, ya no existen. En instalaciones navales, la turbina de Ciar consiste de una o dos
etapas de acción de velocidad compuesta montadas sobre un extremo del eje de la turbina de avante de baja
presión, y encerradas en la propia envuelta de ésta. Estas turbinas tienen muy baja eficiencia debido a la alta
velocidad residual del vapor de descarga de las ruedas de la misma, pero por razones ya expuestas, su
rendimiento, comparativamente pobre, es aceptado. En los últimos diseños se ha instalado un elemento de
Ciar de una o dos etapas de velocidad compuesta en cada extremo de la envuelta de baja presión. Esta
construcción de doble elemento ayuda a la disipación del calor, permitiendo así mayores potencias atrás y por
más largos períodos sin la creación de prohibitivas o peligrosas temperaturas localizadas en la turbina o en el
condensador.
Es necesario mencionar que para minimizar el sobrecalentamiento causado por una operación prolongada de
Ciar debido al efecto “compresor” del empaletado trabajando sobre la descarga de vapor de Ciar un, deflector
es instalado entre la última etapa del empaletado de dar avante y el elemento de ciar, sin embargo el
sobrecalentamiento de las etapas de dar avante, ocurre durante periodos prolongados de operación de la
turbina de Ciar debido a las pérdidas por fricción y de rozamiento del aire debidas al vapor muerto que rodea
los elementos de dar avante. No se ha desarrollado una prevención práctica para evitar esto y el tiempo
prolongado de operación en la turbina de Ciar es limitado por ésta razón.
CAPÍTULO CINCO.
DETALLES CONSTRUCTIVOS.
5.1. GENERALIDADES.
En el diseño y construcción de las turbinas ciertas partes principales son comunes a los tipos de Acción y
Reacción; mientras existen otras que sólo encontraremos en uno u otro tipo. Describiremos primero las
características comunes a ambos tipos. Ellas son:
1. Bases.
2. Envueltas.
3. Rotores.
4. Chumacéras o Cojinetes.
5. Prensa estopas o Empaquetaduras de eje.
6. Sistemas obturadores.
5.2. BASES.
Las bases se construyen para sustentar a las turbinas y son montadas sobre la estructura del casco del
buque. Ya que todas las turbinas están sujetas a grandes cambios de temperatura, desde la condición
operativa de parada hasta la condición de máxima potencia, debe proveerse algún medio para permitir la
expansión y contracción a que tenga lugar. La práctica usual es asegurar el extremo posterior (extremo de
popa) de la turbina rígidamente a la base, usando tornillos de ajuste (tornillos que entran justo en sus orificios
de modo que no permiten movimiento alguno), y permitir al extremo anterior o de proa una ligera libertad de
movimiento. Esta libertad de movimiento en el extremo de proa es llevada a cabo mediante la utilización de
cualquiera de los dos métodos siguientes:
1. Usar orificios elongados para pernos, o asientos corredizos acanalados (también llamados de corredera)
que permitan a ese extremo delantero de la turbina deslizarse longitudinalmente una pequeña cantidad, a
medida que la expansión o contracción tenga lugar.
2. Asegurar el citado extremo delantero o de proa a una viga o vigueta de sección en “I”, muy flexible,
instalada con su eje longitudinal orientado de banda a banda del buque. La viga en “I” está generalmente
instalada de modo que cuando la turbina está desarrollando su máxima fuerza o potencia está vertical (o sea,
sin desviación hacia un lado u otro). Para potencias inferiores, consecuentemente más bajas temperaturas, se
desvía ligeramente a popa (esta desviación es de milésimas de pulgada que no afecta al huelgo axial) de la
vertical. El extremo fijo de la turbina está a popa, de este modo ningún movimiento, por efecto de la
expansión; se trasmitirá a los engranajes reductores. Las tuberías de vapor conectadas a la turbina se
diseñan de modo que forman codos o curvas en cada una de ellas, las cuales absorben la expansión
mediante un ligero cambio en las curvaturas, eliminando con esto la posibilidad de una fuerza directamente
aplicada a la turbina a medida que se expanden estas tuberías de vapor.
En instalaciones modernas los condensadores son montados sobre la estructura del buque fijándose las
turbinas de baja presión a la parte superior de los mismos. En otras instalaciones, las turbinas de Baja Presión
se montan sobre soportes en “I”, y los condensadores principales están en la descarga de las turbinas.
5.3. ENVUELTAS.
Las envueltas son generalmente fundidas en secciones y empernadas unas con otras. El último diseño para
envueltas de turbinas de Baja Presión es construirlas en pequeñas secciones de fundición, combinadas con
chapas laminadas, y soldado todo en conjunto. Este tipo de construcción soldada es también usado en el
extremo de popa de algunas envueltas de turbinas de Alta Presión. Este método disminuye el peso sin
pérdida de resistencia y aumenta la facilidad de fabricación. La envuelta está dividida en dos partes
longitudinalmente siguiendo el plano horizontal de su eje, y el interior o parte interna de la misma está
preparado para alojar las paletas, diafragmas, toberas, etc.
Las envueltas para las turbinas de Alta Presión y algunas de Baja Presión están hechas de acero de
fundición. Para las más altas temperaturas de vapor recalentado usado en las turbinas modernas (seiscientos
cincuenta grados farenjeit o más) se usa acero al carbono molibdeno. Todas las uniones o juntas de solapa
son hechas metal con metal y trabajadas con suma exactitud. Generalmente se usan tornillos de ajuste (o de
confinación) para empernar estas solapas de las medias envueltas. Además las superficies de unión tienen un
canal y se provee algún medio para bombear a presión un compuesto sellante dentro de esas canales
después que la envuelta se cierra. La envuelta provee medios para la verificación o comprobación de los
huelgos de paletas de la primera etapa, mediante orificios, que se mantienen cerrados por medio de tapones
roscados o placas atornilladas; o por medio de indicadores de la posición del eje, que están permanentemente
acoplados. Además provee aberturas para derivar el vapor hacia las etapas posteriores, para permitir la
conducción de vapor hacia las tuberías auxiliares de descarga para el drenaje o purga de las envueltas y para
conexiones de manómetros y termómetros.
5.4. RUEDAS Y ROTORES.
El propósito principal de las ruedas de los rotores de las turbinas es contener las paletas móviles que reciben
la energía del vapor y hacer girar al eje de la turbina.
Las ruedas y los rotores son fabricados por medio de los siguientes métodos:
1. Turbina de acción. En las nuevas instalaciones las ruedas son forjadas integralmente con el eje y después
torneadas a las dimensiones exactas para recibir las paletas. Estas ruedas en ciertas turbinas tienen unos
orificios igualadores.
2. Turbina de reacción. Una gran cantidad de rotores de turbinas de construcción moderna son piezas macizas forjadas íntegramente con el eje y taladradas para reducir peso.
3. Turbina combinada de acción y reacción. En las turbinas de este tipo las ruedas de acción, los rotores de reacción y los ejes son hechos todos en una pieza forjada maciza.
4. Actualmente los rotores tanto de acción como de reacción se construyen de una sola pieza de forja y después son torneadas a las dimensiones exactas para recibir las paletas.
5. Generalidades. Los rotores de las turbinas se hacen de acero al carbono cuando van a usarse con vapor de
una temperatura comparativamente baja, y de acero al carbono molibdeno (u otra aleación de acero de alta
temperatura resistente al arrastre) cuando van a encontrarse temperaturas más altas (seiscientos cincuenta
grados farenjeit o más), ya que el acero al carbono comienza a perder su resistencia en este nivel de
temperatura. Peso y tamaño pueden ser disminuidos mediante el empleo de altas velocidades periféricas.
5.5. CHUMACÉRAS.
El rotor de la turbina estará apoyado en chumacéras, que tienen el doble propósito de soportar el peso del
rotor y mantener el correcto huelgo radial entre el mismo y la envuelta. Todas las turbinas principales y la
mayoría de las auxiliares tienen una chumacéra en cada extremo del rotor. Las chumacéras son de dos clases
generales, a saber, Chumacéras de manguito (generalmente conocidas simplemente como chumacéras) y
chumacéras antifricción. Las últimas, incluyen las chumacéras o cojinetes de bolas y de rodillos, las cuales
son usadas solamente en el servicio naval en algunas unidades auxiliares pequeñas. A fin de evitar una carga
excesiva por unidad de área, y para permitir un amplio flujo de lubricante, tanto para enfriamiento como para
lubricación, así como para facilitar la instalación y reparación, todas las unidades propulsoras de buques y
muchas unidades auxiliares están equipadas con chumacéras de manguito; de las cuales hay dos tipos, a
saber: cilíndrica y de asiento esférico.
El casquillo o concha de la chumacéra está revestido con metal babbitt. Un prisionero impide que la
chumacéra gire, arrastrada por el eje. La tapa de la chumacéra (parte superior de la caja o alojamiento de la
chumacéra) está empernada fuertemente a la mitad inferior del alojamiento o caja de la chumacéra, que es
parte integral con el soporte de la misma (base o asiento).
Este diseño (chumacéra de asiento esférico ajustable) es el que está actualmente en uso en todas las turbinas
modernas propulsoras de buques. El montaje consiste de un casquillo semicilíndrico superior y otro inferior,
alrededor de las cuales se colocan cuñas de ajuste cuya superficie superior tiene forma esférica. Esta
superficie esférica corresponde con una superficie similar que tiene el alojamiento de la chumacéra. Esta
forma esférica permite una pequeña cantidad de movimiento del casquillo para compensar así
desalineamientos menores del eje. El ajuste vertical y lateral del casquillo de la chumacéra es llevado a cabo
variando el espesor de las cuñas de ajuste, o colocando suplementos (alrededor) entre la cuña de ajuste y los
casquillos.
La lubricación de la chumacéra es forzada. Puesto que las chumacéras se colocan cerca de las
empaquetaduras o sellos del eje, se instalan anillos desviadores de aceite para evitar que el vapor que se
fuga de los prensa estopas contamine el aceite lubricante, así como también para evitar la fuga de aceite al
departamento de máquinas.
5.6. SELLOS O PRENSA ESTOPAS DE EJE.
En el extremo de alta de una turbina de alta presión existe una presión que es considerablemente mayor que
la atmosférica (entiéndase funcionando avante). Muchas turbinas de baja presión están siempre bajo vacío.
Cuando la turbina de Ciar (generalmente localizada en la misma envuelta que la turbina de baja presión) está
en uso, las turbinas de avante trabajan sin carga o en vacío. Cuando las máquinas (turbinas) están paradas,
pero con los condensadores en operación, así como cuando están listas para maniobrar, todas las turbinas
están bajo vacío. Por lo tanto, donde quiera que el eje del rotor de una turbina pase a través de su envuelta,
existirá allí una diferencia de presión entre el lado interno y el lado externo de la envuelta. Algún medio debe
proveerse para evitar la fuga de grandes cantidades de vapor hacia el exterior de la envuelta (si la presión
interna es alta), o la entrada o filtración de aire al interior de la envuelta, si la presión interna es menor que la
atmosférica. Sellos u obturadores del eje se instalan para reducir la tendencia del vapor a fluir fuera de la
turbina a lo largo del eje y para restringir la tendencia del aire atmosférico a entrar en la turbina. Lo último es
llevado a cabo por los sellos o prensaestopas en combinación con obturadores a vapor.
Hay muchos tipos diferentes de sellos o presa estopas del eje. No obstante, pueden dividirse en dos tipos
principales, a saber:
1. Prensaestopas de laberintos o empaquetadura laberíntica.
2. Prensaestopas de carbón o empaquetaduras de carbón.
La empaquetadura de laberinto, en su forma más simple, consiste de tiras de obturación (torneadas) o aletas
montadas en la envuelta, rodeando al eje, a fin de lograr un huelgo o espacio libre muy pequeño entre estas y
el mismo eje.
El principio de la empaquetadura o sello de laberinto es que cuando el vapor pasa o se escapa a través de los
espacios muy estrechos entre las tiras de obturación y el eje, su presión cae. A medida que el vapor pasa de
una tira de obturación a la próxima, su presión es gradualmente reducida, y cualquier velocidad que pudiera
obtener a través de estos espacios (semejantes a toberas) se pierde por el movimiento de remolino que tiene
lugar entre tira y tira de obturación. La empaquetadura de laberinto se usa en todos los empaques u
obturadores de alta presión, donde esa alta presión, y en consecuencia alta temperatura, pudieran dañar la
empaquetadura de carbón. Las empaquetaduras o prensa estopas de carbón usan el mismo principio que el
tipo de laberinto. Los anillos de carbón van montados alrededor del eje en segmentos, los cuales se
mantienen unidos al eje por medio de resortes, y evitan que giren al dotarlas de una cuña de fijación. Estos
bloques o anillos se cortan de modo que cuando los extremos de los segmentos son forzados a unirse por el
resorte, queda un espacio libre o huelgo entre éstos y el eje. Una pequeña cantidad de vapor se escapa entre
los bloques y el eje, del mismo modo que lo hace entre las tiras de obturación y el eje, en el tipo de
empaquetadura de laberinto.
Estos bloques de carbón obturadores se usan en empaques donde existen bajas presiones y temperaturas.
De conformidad con lo expresado llegamos a la conclusión que ni la empaquetadura de laberinto ni la de
carbón detienen completamente el flujo de vapor hacia el exterior de la turbina, y por lo tanto, es cierto que la
empaquetadura sola no puede detener o impedir el flujo de aire hacia el interior de la turbina. A causa de que
este aire fluiría hacia el condensador destruyendo el vacío en él, es de una importancia vital detener
positivamente todo el aire que pudiera filtrarse a través de los empaques del eje. Esto se consigue mediante el
uso de “obturadores o sellos a vapor”.
El vapor a 2 libras sobre pulgada cuadrada de presión de manómetro (presión efectiva), o sea, diecisiete libras
sobre pulgada cuadrada de presión absoluta, es llevado a un espacio entre dos juegos o grupos de
obturadores (empaquetadura de laberinto uno, y empaquetadura de carbón el otro). Puesto que su presión es
mayor que la atmosférica y que la presión en el interior de la turbina, el vapor de obturación o vapor de sellaje
fluirá en ambos sentidos, es decir, hacia el interior de la envuelta y hacia el exterior de la turbina, o sea, al
departamento, excluyendo de este modo el aire que pudiera penetrar, o mejor dicho, tratar de penetrar en la
turbina.
Puesto que aún en las turbinas de alta presión están a veces sometidas al vacío (es decir, cuándo se está
listo para maniobrar estando paradas las máquinas, dando atrás, etc.), todos los obturadores o empaques de
turbina son dotados de sellos u obturadores a vapor. Sin embargo, cuando se opera a altas velocidades, la
presión interior en ambos extremos de la turbina de alta presión, o sea, en el extremo de alta y en el extremo
de baja, es considerablemente superior a la atmosférica (generalmente); mientras que en ambos extremos de
la turbina de baja presión esta presión interior está por debajo de la atmosférica.
Supongamos ahora que la presión en el interior de la turbina, en lugar de ser una libra sobre pulgada
cuadrada de presión absoluta, es cuarenta libras sobre pulgada cuadrada de presión absoluta, y después de
haber pasado a través de la empaquetadura de laberinto hacia el interior de la cámara donde es admitido el
vapor de obturación o sellaje, su presión ha disminuido hasta llegar a ser sólo de 18 libras sobre pulgada
cuadrada de presión absoluta. El vapor fluirá entonces en dos direcciones. Parte de este vapor continuará
fluyendo por el empaque de la turbina hacia el exterior, pasando a través de la empaquetadura de carbón,
pero la mayor parte de él, teniendo una presión más alta que la del vapor de obturación o sellaje, fluirá por la
conexión del vapor de obturación en sentido inverso al flujo normal de éste. Es usual que la línea de vapor de
obturación esté cerrada en tales ocasiones, en cuyo caso se provee una conexión de descarga del obturador,
también llamado conducto recuperador, para llevar ese exceso de vapor a las etapas de más baja presión o al
condensador.
La empaquetadura de laberinto está formada por cuatro juegos de aletas montadas en la envuelta rodeando al
eje como se explicó en el inciso 5 punto 6. Los anillos de carbón de la empaquetadura son hechos en
segmentos que se mantienen unidos por medio de un zuncho de metal o tira metálica, cuyos extremos se
unen por medio de un resorte. El huelgo entre el eje y los anillos de carbón se provee mediante un corte
adecuado de los mismos. Se evita el giro o rotación, usando para fijarlos cuñas o pines. El uso de la
empaquetadura de carbón en las turbinas de alta presión ha sido descontinuado en favor de la
empaquetadura de laberinto en las últimas instalaciones.
5.7. SISTEMAS OBTURADORES A VAPOR.
Las líneas oscuras representan el suministro de vapor de sellaje a los obturadores de cada turbina, y las
líneas claras representan el escape del vapor obturador procedente de cada uno de esos obturadores. Las
flechas dobles representan un suministro de vapor de sellaje procedente del escape excesivo del extremo de
alta de la turbina de alta presión, para el obturador restante de esta turbina, en cuyo caso no utiliza el
suministro de una fuente exterior. La fuente normal de suministro exterior de vapor obturador es el sistema de
descarga de auxiliares. La presión de este vapor obturador es mantenida normalmente entre tres cuartos y
una y media libras sobre pulgada cuadrada de presión efectiva (presión de manómetro) en los obturadores.
Una presión mayor daría lugar a una fuga de vapor por el extremo del obturador hacia el departamento de
máquinas con la subsiguiente pérdida de agua de alimentación. Una presión inferior a tres cuartos de libras
sobre pulgada cuadrada de presión de manómetro, en condiciones de operación, podría permitir la filtración
del aire exterior (a la presión atmosférica) hacia el interior de las envueltas de las turbinas, con la subsiguiente
pérdida de vacío.
Las válvulas “A y B” son válvulas reguladoras de presión, diseñadas para reducir la presión de quince libras
sobre pulgada cuadrada del sistema de descarga de auxiliares y mantenerla entre los valores de tres cuartos
a una y media libras sobre pulgada cuadrada que es la indicada para el vapor de sellaje en los obturadores de
las turbinas. La válvula CEE es una válvula de aguja, de control manual, localizada entre la línea de suministro
de vapor de obturación a la turbina de alta presión y el condensador principal. La válvula DEE es una válvula
de alivio (descarga) cargada a resorte (operada automáticamente), localizada entre la línea de suministro de
vapor de obturación a la turbina de alta presión y el tubo de descarga de la misma turbina. La válvula EEE es
una válvula de derivación (bai pass) controlada manualmente, localizada entre la parte interior del obturador
de alta de la turbina de alta presión y la descarga de la propia turbina.
La turbina de baja presión, la cual opera en todo momento bajo vacío en su envuelta, debe tener un suministro
constante de vapor de sellaje (procedente de alguna fuente externa) a sus obturadores. Este vapor es llevado
desde la línea de descarga de auxiliares a través de la válvula reguladora de presión AAA, hasta los
obturadores de la turbina.
Al presentarse las situaciones de calentar, incomunicar, dar atrás, detener, o hacer funcionar la turbina de alta
presión a bajas velocidades se admitirá vapor de sellaje (procedente de alguna fuente externa) a sus
obturadores. Este vapor para obturación es llevado desde la línea de descarga de auxiliares, a través de la
válvula reguladora de presión BEE, hasta los obturadores de esta turbina.
A medianas velocidades, hay una fuga excesiva de vapor en el extremo de alta presión de la envuelta de la
turbina de alta presión a través de su obturador y hacia la línea de suministro de vapor para sellaje. Este vapor
retrocederá contra la válvula BEE causando el cierre de la misma, convirtiéndose entonces en vapor de sellaje
para el otro obturador de la turbina de alta presión. Si la fuga de vapor es tan grande como para hacer que la
presión del vapor para sellaje se eleve por encima de una y media libras sobre pulgada cuadrada, la válvula
de descarga cargada a resorte DEE descargará el exceso de vapor obturador en el tubo de escape de la
turbina de alta presión, pudiéndose entonces utilizar ventajosamente este vapor para desarrollar potencia
adicional en la turbina de baja presión.
A altas velocidades usando la combinación de alta presión, se alcanza un punto donde la presión en el tubo
de escape de la turbina de alta presión se eleva por encima de la presión atmosférica. Cuando la diferencia de
presión entre la entrada y la salida de la válvula DEE es menor de dos libras sobre pulgada cuadrada la
válvula no se abrirá y la presión del vapor en la línea de suministro de vapor de sellaje se elevará. Es
necesario entonces regular a mano la válvula de aguja CEE para mantener la presión normal en la línea de
suministro de vapor de sellaje. Próximo a la condición de operación de toda avante la válvula de aguja CEE se
abrirá completamente mientras la presión en la línea de suministro de vapor de sellaje continuará elevándose.
Es necesario entonces abrir la válvula EEE y pasar parte de la fuga procedente del extremo de alta presión de
la turbina de alta directamente al escape de la propia turbina. Frecuentemente y por razones de economía la
válvula EEE a altas velocidades se abre mucho menos que tratándose de una condición de máxima potencia.
El sistema de descarga de vapor de los sellos obturadores recoge las descargas de todos ellos y los lleva a su
condensador, generalmente localizado en el cuerpo del eyector de aire del condensador principal. En este
condensador de los sellos obturadores las descargas se condensan y vuelven al sistema de agua de
alimentación vía el sistema de drenaje de baja presión, y cualquier aire acompañante es desechado a la
atmósfera por un pequeño ventilador llamado eductor de aire de los sellos obturadores.
5.8. EMPALETADO DE LA TURBINA DE REACCIÓN.
Todas las modernas paletas de reacción están hechas en acero resistente a la corrosión (CEE ERRE ESE) y
metal Monel.
La forma de las paletas de reacción no está sujeta a una construcción geométrica como sucede con muchas
paletas de acción. La forma actual es debida a su evolución y experimentación. A fin de que el vapor pueda
expandirse la cantidad precisa, sin que se produzca turbulencia en los pasajes entre paletas adyacentes,
éstos deben tomar la forma de toberas correctamente conformadas. El tamaño de la sección transversal de
las paletas, la longitud de éstas y la distancia entre una y otra está determinado por la Presión, y por lo tanto
consecuentemente por el volumen específico del vapor en varias etapas.
Hay muchos procesos usados en la manufactura de las paletas de reacción. No obstante, casi todas las
modernas paletas de reacción son hechas por uno u otro de los métodos generales.
1. El primer método consiste en conformar por el “proceso de laminación”, largas tiras de acero hasta obtener
el perfil apropiado de la paleta, se cortan estas tiras a una longitud correcta y se le suelda una pieza
espaciadora o taquillo de espaciamiento a la raíz o pie de paleta. Los taquillos de espaciamiento son labrados
de modo que se adapten a la ranura de la envuelta o del rotor.
2. El segundo método consiste en una “forja en bruto”, a mano, de lingotes individuales de paletas, a la cual
después se le da una forja fina, es decir, un acabado, en una troqueladora. Los pies y las puntas de las
paletas son entonces trabajadas a máquina y llevadas a las dimensiones exactas. En este tipo de paleta no se
usa el taquillo de espaciamiento por razón de que el pie de la paleta lo proporciona de modo que las paletas
adyacentes quedan a la distancia correcta.
En ambos métodos se proveen espigas de empalme con el propósito de asegurar las tiras o bandas de
refuerzo a las puntas de las paletas después que estas últimas han sido montadas. Esa banda exterior de
refuerzo aumenta la resistencia y rigidez del montaje de las paletas.
Existen varios métodos para asegurar las paletas de reacción al rotor o a la envuelta, pero en las modernas
turbinas principales sólo tres métodos están en uso general.
1. El primero es conocido como el método de empalme de cola de pato (cola de milano) circunferencial
derecho, y es usado principalmente para asegurar las paletas al rotor. Una ranura en cola de pato es labrada
en el rotor o en la envuelta, y en esta ranura van encastrados los pies de paletas de forma correspondiente.
La parte del rotor ranurada en cola de pato presenta un corte que permite que una paleta pueda ser insertada.
Una vez colocada, es corrida y apretada fuertemente contra la precedente. Una pieza de ajuste es forzada
bajo cada pie de paleta en una ranura de poca profundidad en la base de la cola de pato. Esto forza hacia
arriba el pie de paleta apoyándolo firmemente contra las solapas o salientes de la cola de pato, manteniendo
de este modo a la paleta fuertemente fija en su lugar.
Cuando la hilera se llena de paletas se inserta en el rotor una pieza especial de sujeción que llena el espacio
entre la primera y la última paleta, cerrando así el corte para inserción de las paletas hecho en la ranura en
cola de pato. Esta pieza de sujeción es retacada o soldada a fin de mantenerla perfectamente fija en su lugar.
2. Este método consiste en forzar una cuña o pieza de fijación entre el pie de la paleta y un lado de la ranura
de la envuelta. Ambos, la paleta y la ranura de la envuelta, tienen ranuras en ellas de modo que cuando la
cuña o pieza de fijación es hecha entrar a presión, asegura firmemente en su lugar el pie de la paleta. 3.
Método de fijación de paletas de reacción que puede utilizarse lo mismo tratándose de paletas del rotor como
de paletas de la envuelta. En los costados de los pies de las paletas se labran ranuras en forma de dientes de
sierra que han de corresponder con dentaduras similares en las ranuras del rotor o de la envuelta. Algunas
veces el pie de paleta se hace de menor anchura que la ranura donde va a quedar alojado, en cuyo caso las
piezas laterales de ajuste se insertan y retacan a fin de que llenen completamente las dentaduras, asegurando
así sólidamente las paletas en su lugar.
La práctica general de las modernas turbinas principales de reacción, es asegurar todas las paletas del rotor y
todas las paletas grandes de la envuelta usando el método de cola de pato. El método de piezas laterales de
ajuste es usado sólo en pequeñas paletas de envuelta que, a causa de su tamaño, no están sujetas a los
esfuerzos de las paletas mayores, y las cuales, por supuesto no están sujetas a la fuerza centrífuga. El
método de pies de paleta serrados, es decir, con dientes a manera de sierra, es usado en algunas
instalaciones.
5.9. PUNTAS DE PALETAS DE REACCIÓN.
Hay una diferencia de presión entre cada hilera de paletas en una turbina de reacción. Es necesario, por lo
tanto, proveer algún medio para reducir a un mínimo la cantidad de vapor que pueda fluir por la parte superior
de las puntas de estas paletas como resultado de esta diferencia de presión. Hay en uso general tres métodos
para reducir estas fugas por las puntas en las modernas turbinas de reacción, las cuales son: Adelgazamiento
de las puntas, puntas selladas y tiras obturadoras.
1. Adelgazamiento de las puntas. Este método consiste simplemente en diseñar las paletas de modo que
haya un huelgo muy pequeño entre las puntas de las paletas y la envuelta o el rotor.
A causa del pequeño huelgo en las puntas, o sea, el pequeño espacio libre que queda entre las paletas
móviles y la envuelta, y entre las paletas fijas y el rotor (excepto cuando se usen paletas de puntas selladas),
un pequeño cambio en la posición radial del eje del rotor, relativo al eje de la envuelta, daría lugar al
rozamiento de las paletas. Por lo tanto, las paletas son trabajadas de modo que el espesor de las mismas
disminuye en sus puntas, hasta llegar a tener una sección transversal muy delgada, mediante la aplicación de
un proceso llamado adelgazamiento de las puntas. Después de montadas las paletas, el rotor es colocado en
un torno en el que se le da un corte ligero a las puntas de las paletas (acabado definitivo) a fin de que el
huelgo en las puntas sea el mismo a todo alrededor. En caso de rozamiento, estando la turbina montada y
funcionando, estas puntas adelgazadas se desgastarían antes de que cualquier daño de consideración
pudiera ocurrir al empaletado de la misma. En las turbinas modernas es normal emplear este método sólo en
las grandes paletas de baja presión. 2. Puntas selladas. El segundo método para reducir las fugas en las
puntas es conocido como el método de puntas selladas. Las puntas de las paletas son dotadas con una fina
cinta de metal, llamada banda de refuerzo, que se extiende más allá del ancho de las paletas y que es
trabajada hasta dejar fino su borde saliente. Mediante el ajuste preciso de la posición axial del rotor, el huelgo
entre esta banda de refuerzo de borde delgado y la parte correspondiente a los pies de paleta de la hilera
siguiente puede quedar reducido a una cantidad muy pequeña, restringiendo con esto las fugas de vapor
alrededor de los extremos de las paletas. La banda exterior de refuerzo se asegura a las puntas de las paletas
mediante una pequeña protuberancia que tienen éstas en su extremo, llamada espiga de empalme. Las
secciones de esta banda de refuerzo son horadadas y colocadas sobre las espigas de referencia, siendo
entonces remachadas estas últimas, fijando así sólidamente la banda de refuerzo en su lugar. Las espigas de
empalme son también algunas veces aseguradas a la banda de refuerzo mediante el uso de soldadura.
Además de reducir las fugas de vapor, la banda exterior de refuerzo también ayuda a darle resistencia al
montaje de las paletas y a reducir la vibración.
3. Tiras obturadoras. Las puntas de las paletas están cubiertas tal como se ha descrito, pero el borde de la
banda exterior de refuerzo no se proyecta más allá de la anchura de la paleta ni este borde está trabajado
hasta hacerlo fino como en el caso anterior. La tira obturadora o tira de sellaje, hecha en segmentos, va
colocada en una ranura en la envuelta o en el rotor, siendo mantenida en su lugar por medio de tiras de
fijación (retacadas). Mediante un cuidadoso ajuste de la posición radial del rotor, podrá mantenerse un
pequeño huelgo entre la tira de obturación y la banda exterior de refuerzo de la paleta. En el caso de que el
rotor perdiera su alineamiento, ocurrirían entonces rozamientos sobre el canto delgado de las tiras de
obturación y no sobre las paletas, evitándose con esto un grave daño a las mismas. En algunas instalaciones
más antiguas, no dotadas de banda exterior de refuerzo, se usan alambres de ligadura para aumentar así la
rigidez y disminuir la vibración de las paletas. Los alambres o cintas de ligadura son hechos pasar a través de
orificios y asegurados a cada una de éstas por soldadura de plata u otros medios. Estas cintas o alambres de
ligadura generalmente ligan seis u ocho paletas. El número de cintas por hilera de paletas depende de la
longitud de éstas.
5.10. EMPALETADO DE LA TURBINA DE ACCIÓN.
Todos los empaletados modernos de acción son hechos de acero resistente a la corrosión (CEE ERRE ESE)
y metal Monel. Muchas paletas de acción son simétricas en toda su longitud y la cara de las mismas es
generalmente en forma de un arco de círculo. El dorso o respaldo es formado también por un arco de círculo
que puede, o no, ser concéntrico con el arco de la cara de la paleta adyacente. Este dorso o respaldo lo
completan dos tangentes que forman con el plano de la rueda el ángulo beta (ángulo de entrada de paleta) y
el ángulo gama ángulo de salida de (paleta). A causa de la forma simétrica de las paletas de acción,
generalmente se hacen trabajando material en barras macizas. Algunas, sin embargo, son forjadas primero y
después reciben un acabado por medio de maquinado. A fin de reducir a un mínimo la fricción estas paletas
son rectificadas hasta darles un acabado pulido.
Las paletas de acción generalmente son aseguradas a las ruedas de los rotores mediante el empleo de uno
de los siguientes métodos:
1. Empalme de cola de pato circunferencial derecha.
Este método es el mismo que el descrito para las paletas de reacción. En lugar de usar una pieza retacada o
pieza de fijación en el pie de paleta, las paletas se aseguran fuertemente en su lugar con cuñas en ranuras
colocadas a un lado del pie de paleta.
2. Empalme de cola de pato circunferencial invertida.
En este método el pie de la paleta es labrado de modo que la sección transversal del mismo tenga la forma de
cola de pato, haciéndose el empalme de éste sobre la rueda en un resalto o saliente circunferencial labrado
en la misma. El método de asegurar las paletas largas donde tienen lugar los esfuerzos de tensión más altos.
Difiere del anterior en que en éste hay dos salientes o apoyos (también llamados espaldones) en el empalme
de cola de pato. Este tipo de empalme de cola de pato es conocido como empalme de abeto. En el método de
cola de pato invertida el procedimiento usual para cerrar la sección o porción recortada del resalto en cola de
pato de la rueda, es colocar sobre la abertura o corte un dado o taco especialmente diseñado, el que es
remachado a modo de fijarlo fuertemente en su lugar. En las turbinas de acción de velocidad compuesta las
paletas son aseguradas generalmente a la envuelta por medio del método de empalme de cola de pato
circunferencial derecha. No obstante, el método de cuña de fijación lateral es usado algunas veces para las
paletas pequeñas de la de la envuelta. A fin de evitar el ensanchamiento de las colas de Pato (es decir, que
se abran) por efecto del alto esfuerzo de tensión originado por la fuerza centrífuga, muchas paletas de rotor
son diseñadas con orejas o garras de fijación labradas en ellas. Las garras de fijación u orejas se ajustan en
ranuras circunferenciales labradas en la rueda del rotor.
5.11. BANDA EXTERIOR DE REFUERZO DE LA PALETA DE ACCIÓN.
Todo empaletado moderno de acción tiene banda exterior de refuerzo para reducir la vibración de la paleta y
para evitar que el vapor se escape por las puntas de las mismas. Esta banda exterior es generalmente del
mismo material que las paletas. En muchos casos se instala sobre espigas de empalme, en la misma forma
que fue descrita en el tema para las paletas de reacción. No obstante, en paletas de acción relativamente
cortas la banda exterior de refuerzo es formada integralmente con la paleta, es decir, es parte integral de la
misma como una extensión que ajusta estrechamente al respaldo de la próxima paleta. Las paletas con banda
exterior de refuerzo integral son algunas veces aseguradas por las puntas por medio de una cinta de amarre
que se coloca sobre la banda exterior de refuerzo. Después que han sido colocadas todas las paletas, se
tornea una ranura rectangular en la periferia del montaje total de paletas. Una cinta de amarre de forma
trapezoidal se coloca en la ranura rectangular de la banda exterior, y entonces el metal de los lados de la
ranura es recalcado (arrollado) sobre el canto biselado de la cinta de amarre. A lo largo de la línea central de
la cinta de amarre hay practicados unos agujeros regularmente espaciados en los cuales se vierte soldadura
de plata, quedando así la cinta de amarre unida firmemente a los extremos de las paletas. Como paso final, el
rotor ya armado es colocado en un torno donde se tornea la periferia de cada hilera o corona de paletas para
emparejarla. El uso de cintas de amarre se ha abandonado en las turbinas navales. Cuando las turbinas están
siendo operadas a su máxima potencia o próximas a ella, puede existir una caída de presión entre los lados
de entrada y salida de una rueda de acción. Esta caída de presión se debe a la resistencia que origina la
fricción del vapor al fluir dentro de los pasajes de paletas. Para evitar que en tales condiciones el vapor pase
en exceso por fuera de la banda exterior de refuerzo, algunas veces las paletas de acción son dotadas de
tiras obturadoras o de sellos en las puntas (puntas selladas) similares en diseño a los usados en las paletas
de reacción.
5.12. TOBERAS.
La principal función de una tobera es convertir la energía térmica del vapor en energía cinética, aumentando
su velocidad. Su función secundaria es dirigir el vapor contra las paletas. En algunas instalaciones las toberas
de la primera etapa se extienden alrededor de todo el círculo de la primera hilera de paletas, mientras en otras
sólo una sección o parte de todo el círculo de paletas de la primera hilera está expuesto a las toberas. Las
toberas están frecuentemente dispuestas en grupos, siendo cada grupo controlado por una válvula
independiente de control de toberas, de modo que a potencias reducidas parte de estos grupos puedan ser
incomunicados. Las toberas que dan lugar a caídas de presión relativamente grandes; tales como las usadas
en las turbinas auxiliares y en los elementos de Ciar de las turbinas principales, tienen secciones divergentes
relativamente largas estando usualmente fundidas en bloques y trabajadas a máquina conforme una sección
transversal de forma circular. Las toberas que dan lugar a caídas de presión relativamente pequeñas, tales
como las usadas en las etapas de avante de las turbinas principales tienen secciones divergentes que varían
desde relativamente cortas a casi inapreciables, y pueden ser de fundición o formadas en piezas, de sección
rectangular. En el caso de toberas formadas en piezas, las paredes son fabricadas en forma muy semejante
como lo son las paletas de reacción. Generalmente se elaboran de un lingote forjado, siendo luego
rectificadas y pulidas individualmente. Estas paredes o caras de las toberas son montadas entonces en un
bloque y soldadas en su lugar.
5.13. DIAFRAGMA DE TOBERAS
Entre cada etapa de una turbina de acción de presión compuesta se instalan diafragmas de toberas. Estos
diafragmas sirven para alojar las toberas de la etapa en una forma muy similar a como los bloques de toberas
de la primera etapa alojan a éstas. Las características generales de construcción son muy parecidas, excepto
que los diafragmas contienen toberas que, en muchos casos, se extienden alrededor de todo el círculo del
mismo. Las paredes de las toberas son labradas, rectificadas y pulidas, luego colocadas en un aro interior de
acero, limitándolas por las puntas o extremos un aro exterior, siendo entonces todo el conjunto unido por
soldadura. Estos diafragmas son hechos en dos mitades, que se fijan en la mitad, superior e inferior de la
envuelta, fijándolas a ellas para evitar, que giren. Puesto que los diafragmas contienen toberas, tendrá lugar
una caída de presión a través de cada uno de ellos, por lo tanto, debe instalarse en cada diafragma un sello
obturador alrededor de su superficie interior (la que mira al eje) para formar una junta que reducirá el flujo del
vapor entre el diafragma y el rotor a un mínimo. A ese fin se usan anillos de empaquetadura que son
semejantes en construcción a los anillos de empaquetadura de laberinto destinados a obturar los ejes, y que
fueron descritos en el tema 5 punto 6. Las paredes de toberas, anillos interior y exterior, y diafragmas, son
algunas veces de fundición integral, o sea, que cada diafragma de toberas lo forman dos piezas
semicirculares de fundición.
CAPÍTULO SEIS.
ACCESORIOS DE LAS TURBINAS Y LUBRICACIÓN
6.1. GENERALIDADES.
Las partes principales de la turbina, tales como envuelta, rotor, paletas, etcétera, no constituyen, el montaje
completo de una instalación de turbinas. Son necesarios ciertos aditamentos que pueden ser agrupados bajo
el título general de “Accesorios”. Algunos de éstos no son, estrictamente hablando, partes de la turbina
misma, pero están tan estrechamente asociados con la operación de ella que pueden considerarse
lógicamente como partes integrales de la unidad. En los siguientes párrafos describiremos estos accesorios.
6.2. PRINCIPIOS BÁSICOS DE LOS ENGRANES REDUCTORES.
A fin de mantener la óptima relación entre la velocidad de la paleta y la velocidad del vapor para lograr un
máximo de eficiencia, las turbinas deben operar a altas velocidades. Las hélices propulsoras en cambio tienen
su máxima eficiencia a velocidades relativamente bajas. Si estas hélices rotaran con demasiada rapidez,
resultaría un batimiento del agua, corrientes de remolino y cavitación, con la consiguiente disminución de la
eficiencia. La cavitación es la formación de cavidades en el agua que se encuentra en los lados de baja
presión de las palas, debido a la tentativa de la hélice por descargar el agua más rápidamente de lo que ésta
puede fluir; tales cavidades contienen agua en forma de niebla. Para acoplar la alta velocidad de la turbina a
la baja velocidad de la hélice, es preciso instalar entre ellas (turbina y hélice) algún aparato reductor de
velocidad. Esta reducción se obtiene mecánicamente por medio de engranes reductores o eléctricamente
mediante el uso de generadores y motores. La reducción mecánica por engranajes es el medio más común
para llevar a cabo esta reducción de velocidad en instalaciones marinas.
Los engranes reductores se clasifican como: de simple y doble reducción. En engranes de simple reducción
un piñón de alta velocidad, impulsado por la turbina, engrana directamente con una rueda dentada de baja
velocidad (generalmente llamada rueda dentada principal o rueda dentada bull), la cual está acoplada al
extremo del eje propulsor que corresponde al interior del buque, llevándose a cabo la reducción total en un
paso solamente. En una unidad de doble reducción se añade un elemento que consta de rueda y piñón
intermedio montados sobre un eje común, la rueda de este elemento intermedio es accionada por el piñón que
está acoplado a la turbina, impulsando el piñón intermedio a la rueda principal que está montada en el eje
propulsor. La reducción total de velocidad es de esta forma llevada a cabo en dos pasos.
Los engranes de simple reducción han sido construidos para razones de velocidad hasta de veinte punto
cinco a una, mientras que los engranes de doble reducción usan comúnmente razones de velocidad tan altas
como de cuarenta y cinco a una. La razón de reducción más común en instalaciones modernas es entre diez y
quince a uno. La eficiencia de los engranes reductores varía entre noventa y siete punto cinco a noventa y
ocho punto cinco por ciento para las simples reducciones, y entre noventa y cinco a noventa y siete por ciento
para las dobles reducciones.
6.3. CONSTRUCCIÓN DE ENGRANES REDUCTORES.
En las instalaciones de propulsión naval los engranes reductores principales (ruedas y piñones) son del tipo
doble helicoidal, también llamado de “espina de arenque”. Una rueda dentada simple helicoidal, tiene sus
dientes cortados a un ángulo con el eje. Estos dientes (de forma helicoidal) semejan filetes de un tornillo de
gran paso, logrando así que el funcionamiento de éste engranaje sea muy suave, con una distribución pareja
de la presión a lo largo de toda la longitud del diente. Sin embargo, la inclinación de los dientes introduce un
empuje axial en el eje, que es indeseable en engranes de reducción. Por lo tanto se usa un engranaje doble
helicoidal, o sea, una rueda con dos dentaduras labradas en ella de modo que en una la inclinación de los
dientes es hacia la derecha y en la otra la inclinación es a la izquierda; estas mitades (una derecha y la otra
izquierda) introducirán empujes axiales en sentidos opuestos, que se neutralizarán exactamente. Tanto las
ruedas dentadas como los piñones, descansan en chumacéras situadas en cada extremo y para piñones de
gran longitud algunas veces se provee una chumacéra adicional que se coloca entre las dos coronas o
dentaduras helicoidales, para evitar así el desalineamiento de los mismos cuando se encuentran sometidos al
esfuerzo de la carga. El extremo anterior del eje de la rueda dentada principal está dotado de una chumacéra
de empuje que absorberá éste de la hélice propulsora, mientras que el extremo posterior de éste eje de
referencia está unido por medio de una brida de unión o acoplamiento al eje propulsor. La chumacéra de
empuje principal citada, es algunas veces instalada a popa de los engranes reductores en un lugar opuesto al
descrito. Las ruedas dentadas principales de los engranes reductores son, hechas de piezas macizas,
forjadas y labradas a máquina. Los piñones y sus ejes son labrados de una misma pieza forjada. En unidades
de doble reducción el piñón de la segunda reducción es generalmente del tipo forjado, acoplado a la rueda
dentada de la primera reducción por medio de un acoplamiento flexible, siendo la rueda dentada de la primera
reducción, del tipo dental. La conexión con el eje de la turbina propulsora se hace por medio de alguna forma
del acoplamiento flexible ya mencionado.
El montaje total del engranaje se instala en una envuelta hecha de acero de fundición y chapas de hierro de
superior calidad. Las bases de chumacéras de las ruedas y de los piñones son soldadas a estas cajas.
El aceite de lubricación es llevado a los engranes desde el sistema de lubricación de la turbina propulsora por
medio de una conexión a cada chumacéra y con pulverizadores localizados de modo que dirijan un chorro
constante de aceite entre los engranes en el punto en que ellos hacen contacto. Puesto que en las
instalaciones navales los engranes reductores están localizados directamente encima del tanque colector de
aceite de lubricación (o cárter), al cual escurre el lubricante de los engranes y el que proviene de las
chumacéras de éstos así como el usado en las turbinas principales, es preciso utilizar medios efectivos para
asegurar que, bajo ninguna condición, los engranes queden sumergidos en el aceite de este tanque colector.
La inmersión de los engranes en el aceite podría hacer que se produjera espuma, por una acción de
batimiento, que provocará recalentamiento y se rebosará, lo cual podría causar la pérdida de succión en las
bombas de lubricación. Cuando la cantidad de aceite que llevan estos tanques colectores es tal, que su nivel
normal está por encima del borde inferior de la rueda dentada principal, se construye una cubeta de exclusión
y es colocada rodeando la mitad inferior de la rueda dentada principal, extendiéndose en algunos casos por
encima del nivel del eje geométrico de esta rueda. Como el espacio o huelgo entre la cubeta de exclusión y la
rueda dentada es reducido, sólo una pequeña cantidad de aceite se pondrá en contacto con la rueda y por lo
tanto no podrán producirse vibraciones peligrosas ni batimientos perjudiciales. El aceite de los engranes que
tiende a llenar la cubeta es evacuado por el borde superior de la misma, cayendo dentro del tanque colector.
6.4. TIPOS DE ENGRANES REDUCTORES.
Al determinar el tipo de engranes de reducción que ha de ser usado, es preciso tomar en consideración
algunos factores, tales como espacio disponible, peso y economía general de la instalación; así como la
potencia que va a ser trasmitida. Los engranes de simple reducción que resultaron satisfactorios para
instalaciones propulsoras antiguas, utilizaban una velocidad de turbina relativamente baja. Sin embargo, las
turbinas modernas, de alta velocidad, requieren el uso de engranajes de doble reducción a fin de eliminar la
necesidad de usar ruedas principales excesivamente grandes. Muchos buques de combate de determinada
envergadura utilizan engranajes de doble reducción.
Los distintos tipos básicos de engranes reductores se describirán en los párrafos siguientes:
1. Antiguo de engranaje de simple reducción. Los piñones de las turbinas de alta y de baja presión están
soportados por tres chumacéras cada uno. El collarín de empuje (en el extremo anterior del eje de la rueda
principal) va alojado en la chumacéra de empuje de la hélice y eje propulsor.
2. Una disposición común de un engranaje de doble reducción usado en buques modernos.
3. A fin de economizar espacio el tipo anterior se modifica. Al referirnos a este diseño lo llamamos de tipo
“compacto o de encaje” por razón de que las ruedas dentadas de la primera reducción están dispuestas entre
las dos coronas o dentaduras helicoidales de la rueda principal.
En este caso las mitades o coronas helicoidales de los piñones y ruedas dentadas de la primera reducción
están distanciadas.
4. Muchos buques modernos de combate están equipados con engranaje de doble reducción del tipo de tren
cerrado. En este tipo de engranaje la potencia se trasmite a la rueda dentada principal a través de cuatro
piñones en lugar de dos, lográndose con esto, en una unidad compacta, disminuir la presión en los dientes.
Otra ventaja es que el empuje tangencial de los piñones de la primera reducción es neutralizado,
eliminándose en gran parte el desgaste de las chumacéras de los mismos. Para contribuir a igualar las cargas
sobre los dientes de los engranes, hay un eje de camisa corrediza con acoplamientos flexibles conectando la
rueda dentada de la primera reducción al piñón de la segunda reducción.
6.5. ACOPLAMIENTOS FLEXIBLES.
Los acoplamientos flexibles se instalan entre el eje de la turbina y el eje del piñón. En algunos casos se usan
también para conectar la rueda de la primera reducción al piñón de la segunda reducción, como en el tipo de
engranaje de tren cerrado ya descrito. El principal objetivo de estos acoplamientos es proveer flexibilidad
longitudinal entre los ejes impulsores e impulsados y con esto permitir que cada eje sea ajustado axialmente y
mantenido en su correcta posición axial por la chumacéra de empuje de la turbina y la dentadura doble
helicoidal del piñón. Además, si las turbinas fueran conectadas rígidamente a los piñones cualquier pequeño
desalineamiento, debido a desgaste de chumacéra o variación en la sustentación de la base, podría afectar
seriamente al engranaje y su rueda dentada. Ello podría causar excesiva presión sobre el área del diente
resultando rotura de los mismos. Aunque así no fuese, daría lugar a ruido y a un desgaste excesivo. El diseño
de los acoplamientos flexibles permite un pequeño desalineamiento de los engranes sin que produzca
dificultades en la operación.
Los acoplamientos flexibles son de dos tipos generales, a saber:
1. De ruedas dentadas o dental.
2. De reja.
1. Acoplamiento de ruedas dentadas o dental. Tipo de acoplamiento de rueda dentada o dental usado en
instalaciones navales. Consiste de dos anillos del eje que tienen dientes de engranaje y un elemento flotador
o pieza de conexión, que tiene dientes de engranaje externos en la periferia de cada extremo. Los anillos del
eje están empernados a las bridas o platillos de los dos ejes que van a ser conectados (turbina y piñón) y el
elemento flotador o pieza de conexión está colocado, de modo que sus dientes engranen con los de los anillos
del eje.
Los acoplamientos que trasmiten potencias inferiores, pueden usar algunas veces elementos flotadores
externos con dientes internos. En tales casos, los anillos de eje se convierten en ruedas dentadas cilíndricas
con dientes externos en el extremo del eje del piñón y en el extremo del eje de la turbina. Los dientes de los
engranes son lubricados por el aceite que fluye de los extremos de las chumacéras adyacentes a los
acoplamientos y es llevado por la fuerza centrífuga a los dispositivos retenedores de aceite, desde aquí por
agujeros longitudinales a través de las bridas o platillos y de nuevo por fuerza centrífuga hacia los dientes del
acoplamiento. Una guarda o cubierta encierra el acoplamiento y el aceite que fluye de los extremos internos
de las ruedas o engranes, es recogido por ésta y hecho retornar al tanque o colector principal del aceite de
lubricación. En las últimas instalaciones se ha hallado más ventajoso el conectar directamente el acoplamiento
con una tubería a la línea de servicio de aceite de lubricación. Esto garantiza un flujo de aceite más seguro y
constante, eliminándose así el suministro de aceite caliente que puede resultar del paso de éste a través de la
chumacéra.
La flexibilidad axial se obtiene mediante el deslizamiento de los dientes externos del elemento flotador entre
los dientes internos del anillo del eje. La dureza de los dientes debe ser tal que este deslizamiento no
produzca un arrollamiento o rebaba, ya que esto podría dar como resultado el atascamiento del engranaje.
Esto hace necesario que los dientes de un juego sean de mayor longitud que la de aquéllos que engranan con
él. Las rebabas no deben producirse en los primeros, por lo que han de ser los de mayor dureza. Tal como es
en la práctica moderna. Generalmente se fresan en el metal más blando los dientes internos, de aquí que en
los diseños actuales es común que los dientes externos, más largos y de mayor dureza, sean cortados en el
elemento flotador.
El tipo de acoplamiento de ruedas dentadas o dental es el único permitido en los buques de guerra de más
reciente construcción. Un uso especial de acoplamiento flexible del tipo dental lo hallamos en el eje de camisa
corrediza usado en los engranajes reductores del tipo de tren cerrado.
Este eje de camisa corrediza es esencialmente un acoplamiento dental, que tiene dos anillos en su eje con
dientes internos y un elemento flotador o pieza de conexión con dientes externos alrededor de la periferia en
cada extremo. Sin embargo, difiere del acoplamiento dental convencional en que los anillos del eje están
empernados en los extremos más distantes de cada uno de los engranes que van a ser conectados; y el
elemento flotador, ahora llamado eje de camisa corrediza, es relativamente largo y pasa a través de los
centros huecos de ambos engranes, estando sustentado sólo en los extremos donde sus dientes engranan
con los dientes de los anillos del eje.
Un montaje semejante permite al piñón ser colocado muy próximo a la rueda dentada que está alineada con
él, resultando con esto más corta la envuelta que cubre todo el sistema de engranajes reductores. El
movimiento de la rueda dentada de la primera reducción está limitado tanto axial como radialmente por sus
chumacéras. El piñón de la segunda reducción está limitado sólo radialmente por sus chumacéras. Su
posición axial está determinada por la posición axial de la rueda dentada principal con la cual engrana y está
en libertad de moverse axialmente con ésta. La flexibilidad axial requerida, es lograda mediante el
deslizamiento de los dientes internos de los anillos entre los dientes externos del eje de la camisa corrediza.
Entre la cara interna de la rueda dentada y piñón ambos huecos y la superficie del eje de camisa corrediza
existe un espacio o huelgo que permite que si una u otro, o ambos, se desalinearán debido a desgaste en la
chumacéra o a deformación de la envuelta, podría continuar funcionando el montaje sin dificultad, es decir,
continuaría operando la instalación con el eje de camisa corrediza ligeramente desalineado con respecto al
eje de uno cualquiera o ambos de los dos engranes. Esto es en sí la flexibilidad radial que provee el eje de
camisa corrediza.
La flexibilidad torsional, no hallada en los usuales acoplamientos dentales, es lograda con este tipo de
acoplamiento de eje de camisa corrediza por la longitud relativamente larga del mismo. Aplicaciones
repentinas de fuerza a la rueda dentada de la primera reducción o cargas súbitas impuestas al piñón de la
segunda reducción, causarán cierta cantidad de torsión del propio eje de camisa corrediza; y la trasmisión
brusca de fuerza entre los dos engranes, al ser absorbida por éste, se suavizará.
En resumen, en una instalación de eje de camisa corrediza, la rueda, el piñón y el eje rotan todos a las
mismas revoluciones por minuto, la potencia o fuerza trasmitida a la rueda es comunicada a su vez al piñón; y
aun la flexibilidad axial, radial y torsional requeridas entre la rueda y el piñón de un engranaje reductor
moderno de alta potencia, son satisfechas adecuadamente.
2. Acoplamiento de reja. Tipo de acoplamiento flexible usado con algunas turbinas auxiliares.
Con este tipo se gana tanto en flexibilidad torsional como axial mediante el uso de un enrejado de acero de
muelle entrelazado entre dedos radiales (semejante a dientes) fresados en los extremos de las bridas de los
cubos que están enchavetados a los ejes. Permite un grado considerable de desalineamiento entre los dos
ejes. La lubricación es llevada a efecto forzando una grasa consistente a través de la copilla de engranes.
6.6. ALINEAMIENTO DE LOS ENGRANES DE REDUCCIÓN.
Es imperativo que el correcto alineamiento entre el piñón y la rueda dentada sea mantenido en todo momento
a fin de evitar desgastes desiguales y posible destrucción de los dientes, debido a que la fuerza impulsora
esté concentrada sobre una pequeña porción de cada diente, más bien que sobre la total superficie de
contacto. Dos condiciones deben ser satisfechas para obtener este alineamiento correcto, a saber:
1. Los ejes de la rueda dentada y del piñón deben estar paralelos.
2. La distancia de centro a centro entre la rueda dentada y el piñón con el cual ésta engrana, debe ser
mantenida dentro de límites especificados.
Las instrucciones para la comprobación del alineamiento de los engranes reductores están contenidas en el
Manual de Instrucción.
6.7. MECANISMO VIRADOR.
Por varias razones es necesario que las turbinas principales puedan virar (es decir, girar) sin tener que admitir
vapor en ellas. Para este propósito todas las instalaciones de turbinas están equipadas con dispositivos para
hacerlas girar, dispositivos que utilizan para tal fin motores eléctricos. A estos dispositivos se les da
comúnmente el nombre de viradores. Consisten de un motor eléctrico conectado, a través de un tipo de
engranaje reductor de rueda y tornillo sin fin y un embrague mecánico, a alguna parte del eje del primer piñón.
Generalmente están localizados a un lado o en la parte superior y cerca del extremo de popa de la caja de
engranes reductores principales.
Los mecanismos viradores de las turbinas son usados como sigue:
1. El mecanismo es operado para hacer girar las turbinas lentamente durante los períodos de calentamiento y
retirada (enfriamiento). Esto es necesario porque durante el calentado, así como también durante la retirada o
enfriamiento de las turbinas, el calor tiende a concentrarse en la parte superior de la envuelta y rotor. Este
calentamiento desigual, si se le permitiese continuar, podría resultar en una distorsión temporal del rotor, lo
que haría posible el rozamiento de las paletas y el desgaste de los obturadores del eje si la turbina fuese
operada. Debe recordarse que durante este procedimiento estará en servicio el sistema de lubricación de la
turbina.
2. Las turbinas son viradas diariamente estando el buque en puerto. Al realizar la operación de referencia se
mantendrá el sistema de lubricación de aceite, bajo presión, a fin de asegurar que sea mantenida la película
del mismo en las chumacéras y engranajes de reducción. Si se dejara a la turbina permanecer inactiva por
largos períodos sin esta operación diaria de viraje, la película de aceite en las chumacéras tendería a
romperse, y el aceite sobre los engranes escurriría hacia el tanque colector, trayendo como resultado el
peligro de contacto directo con las chumacéras y la corrosión de los muñones de los ejes y dientes de los
engranes reductores. En esta operación de viraje diario, todas las turbinas son hechas girar un número de
vueltas tal que equivalgan a una un cuarto vueltas del eje propulsor. Este movimiento diario también asegura
el drenaje de condensaciones que tienden a acumularse en el interior del rotor de la turbina y en las paletas.
3. En buques con doble eje propulsor algunas veces se hace necesario, cuando se está navegando, detener
una máquina por separado para efectuar reparaciones en ella mientras el buque sigue dando avante
impulsado por la fuerza de la otra máquina. Esto se lleva a cabo deteniendo el eje propulsor de la máquina
que se va a reparar usando el mecanismo virador. El engranar el virador generalmente mantiene inmóvil al
engranaje de reducción, ya que se opone firmemente al esfuerzo de arrastre de la hélice por razón de que el
mecanismo que usa, de rueda y tornillo sin fin, tiene la característica de que con tornillo sin fin de poco paso (y
dentro de la resistencia de su material) generalmente no puede haber movimiento cuando un esfuerzo de giro
se aplica a la rueda dentada. No obstante, en instalaciones modernas se usa un freno por fricción que se
instala en el eje del virador para asegurar completamente la ausencia de movimiento de las turbinas o
engranajes reductores acoplados al eje propulsor que había sido asegurado contra el arrastre de su hélice.
4. El virador se usa también cuando es necesario hacer girar una turbina durante inspecciones de rutina y
reparaciones.
6.8. SISTEMAS Y PRINCIPIOS DE LUBRICACIÓN.
Es difícil imaginar un proceso físico en el cual la energía no sea desperdiciada, o convertida a una forma que
no tenga uso. Aún la energía cinética de la rotación de los planetas alrededor del sol es disipada
gradualmente. En todas las maquinarias la pérdida de energía en el proceso de fricción mecánica es una de
las dificultades de diseño y operación. La reducción de esta fricción mecánica y de su consecuente pérdida de
energía es la mayor razón para la lubricación. Además para reducir las pérdidas de energía una apropiada
lubricación prolonga la vida de la maquinaria, y en algunos casos, aumenta sus características operacionales
en altas velocidades y áreas de potencia. Es importante examinar las características de fricción antes de
estudiar los pasos necesarios para su reducción.
6.9. FRICCIÓN.
Cuando dos sólidos están en contacto aún bajo una pequeña cantidad de presión, las fuerzas que tienden a
evitar su movimiento relativo pueden provenir desde tres fuentes: Adhesión, esfuerzo cortante y
deslizamiento. La fuerza necesaria para mover una pieza relativamente a la otra debe ser suficiente para
cortar el metal en los puntos soldados o de contacto. Pruebas de conductividad eléctrica han mostrado que el
área de las superficies soldadas o de contacto es proporcional a la carga normal de las entre caras, de tal
manera que el esfuerzo de contacto (carga normal dividida por el área de contacto) permanece prácticamente
constante a pesar del área total de las superficies de fricción. Esto explica por qué el área de contacto total
tiene un efecto insignificante sobre la fuerza de fricción (se recordará que un bloque rectangular comenzará a
resbalarse en prácticamente el mismo ángulo, indistintamente de si este descansa ya sea en sus lados o sus
extremos). Además debido a que la fuerza deslizante es proporcional al área total soldada o de contacto ya
que el área soldada total es proporcional a la carga normal, la fuerza deslizante es además proporcional a la
carga normal. Esta proporcionalidad constante es, desde luego, el coeficiente de fricción. Experimentos
cuidadosamente controlados y exámenes microscópicos han mostrado que soldaduras o puntos de contacto
prácticamente perfectos se han efectuado, aún entre materiales no similares. Este proceso es confiable que
continúe aun cuando existe movimiento relativo entre las superficies de contacto. La adhesión es así la causa
de fricción principal entre superficies bien trabajadas.
El efecto cortante es producido por el rompimiento de proyecciones que interfieren mutuamente. Se cree que
esta acción ocurre particularmente con superficies rugosas o ásperas y especialmente en “nuevas” áreas de
contacto, estando significativamente presente en cojinetes nuevos y desapareciendo un poco después de que
los cojinetes son ya trabajados. Esta acción sin duda es acompañada por la adhesión ya que las energías de
las fracturas de las proyecciones causan temperaturas altas localizables.
El tercer tipo importante es el deslizamiento y está presente cuando las dos superficies tienen diferentes
durezas. El deslizamiento puede deformar plásticamente el material más blando sin fractura. La presencia de
material sólido extraño entre las dos áreas puede causar cualquiera o todas las acciones. Se ha notado que
en el balanceo de la fricción, los dos últimos tipos de fricción son probablemente eliminados ampliamente,
pero las fuerzas de adhesión aún existen.
6.10. LUBRICACIÓN.
La función de la lubricación es separar las dos superficies metálicas, de manera que éstas no se toquen y así
sustituir fuerzas más pequeñas de corte de fluido por los tipos de fuerzas. Tres mecanismos de lubricación
son convenidos:
Lubricación hidrostática, hidrodinámica y de límite.
La lubricación hidrostática depende de la presión del aceite suministrada desde una bomba exterior para
mantener las superficies separadas. Grandes cargas pueden ser alojadas de esta forma. La parte móvil del
telescopio Jale, con un peso aproximadamente de un millón libras, está soportado sobre tres cojinetes o
zapatas, con un área hueca combinada de ochenta y cuatro pulgadas cuadradas y es operada por un motor
de un doceavo de ache pes. Cuando varios cojinetes soportan un peso, es una necesidad virtual que una
bomba independiente sea administrada para cada cojinete de manera que el mantenimiento del flujo pueda
asegurarse. Inclinar la carga a un cojinete permitiría que todo el flujo de una simple bomba pasara a través de
las otras. Por lo tanto, este sistema no ha sido adoptado para usarse en la maquinaria naval, las bombas
necesarias adicionales complican el requisito de confiabilidad.
La lubricación hidrodinámica también depende de la separación de las superficies de los cojinetes por la
presión de aceite, pero aquí la presión es desarrollada por el movimiento o la acción bombeante del mismo
cojinete. Cuando dos superficies se mueven mutuamente, el aceite se pega en ambas superficies. El aceite en
la superficie superior tiene la velocidad de ésta; y en la superficie inferior está en reposo. La velocidad de las
moléculas de aceite entre las superficies varía de una a otra. Esto simplificará la discusión subsecuente al
asumir una distribución de velocidad lineal. Desde que el flujo es establecido, hay una presión dada. La
discusión en el tema 6 punto 11 considerará esto en detalle. Este es el tipo de lubricación encontrada en casi
todos los cojinetes de grandes buques.
La lubricación de límite o de película delgada resulta de una capa de aceite extremadamente delgada, de
ciento diez millonésimas a un máximo de ciento cuarenta milésimas de pulgada de espesor, la cual está
“unida” al metal por absorción o en algunos casos por reacción química. Además, las moléculas de aceite en
contacto con las superficies son capaces de resistir el desplazamiento en un alto grado. Las moléculas
(grandes cadenas de hidrocarbón) se cree que están unidas a un extremo de la superficie y orientadas
aproximadamente perpendiculares a las mismas. “Lubricidad” es el término que describe la habilidad de un
lubricante para formar tal película límite. Ésta es encontrada en alto grado en aceites vegetales y animales y la
familia química de ácidos grasos, pero en un grado extremadamente limitado en aceites minerales naturales.
Sin embargo pequeñas cantidades de aditivos en aceites minerales son suficientes para darle a este la
propiedad de lubricidad. La película gradualmente se excluye debajo de la carga y con el tiempo. Esta película
es una lubricación solamente disponible para las superficies de fricción de muñones del eje cuando se ponen
en marcha. Por esta razón, es importante mantenerla establecida durante los virajes periódicos u operación
de la maquinaria. Este tipo de lubricación es importante también en los cojinetes esféricos y de rodillo, y es el
principal tipo de lubricación en los engranes.
6.11. CHUMACÉRAS DE EMPUJE.
A fin de cuidar de cualquier empuje axial que pudiera existir en el rotor de una turbina, así como también para
mantener a éste en el sentido longitudinal dentro de ciertos huelgos axiales definidos, se instalan chumacéras
de empuje en todas las turbinas principales. Estas chumacéras de empuje son instaladas en un extremo de la
turbina, generalmente delante de la chumacéra de proa de la misma. También se instala otra chumacéra de
empuje en el eje propulsor, bien en el extremo delantero (hacia proa) de la rueda dentada principal del
sistema de engranaje reductor, o bien en el eje propulsor, a popa de la caja de engranes, a fin de absorber el
empuje de la hélice. El diseño de las chumacéras de empuje de la turbina y el de la hélice es muy semejante
excepto, por supuesto, que la chumacéra de empuje de la hélice es mucho mayor.
Las chumacéras de empuje son lubricadas por el mismo sistema de lubricación que suministra el aceite a las
chumacéras soportes de la turbina, engranajes reductores y acoplamientos flexibles.
En algunos buques de gran eslora, con largos ejes propulsores, no es deseable trasmitir el empuje de la
hélice a través de toda la longitud del eje de transmisión. En tales casos la chumacéra de empuje del eje
propulsor, con un sistema de lubricación independiente está localizada a popa del buque, justamente junto al
codaste, por la parte que da hacia el interior del buque. Para comprender claramente el diseño y la acción de
las chumacéras de empuje es preciso que expliquemos los principios elementales de lubricación que están
especialmente relacionados con las mismas.
Las condiciones asumidas son aquellas que existen en este tipo de bloque o soporte de empuje donde uno o
más collarines, torneados en el eje, se apoyan contra zapatas fijas. Las zapatas están revestidas con metal
antifricción, y el aceite es distribuido en los espacios entre las zapatas y los collarines en varios puntos. En la
práctica real, el rendimiento de este tipo de chumacéra de empuje es notoriamente malo a altas velocidades y
la máxima presión admisible es sólo alrededor de 40 o 50 libras sobre pulgada cuadrada de área efectiva. El
principio de la chumacéra de empuje de zapata móvil o segmento pivoteado es ese de la película en forma de
cuña. Cuando ésta película es alimentada constantemente con aceite limpio, hay una separación completa de
las superficies y en consecuencia no habrá desgaste. La chumacéra de empuje de zapata pivoteada
(chumacéra de empuje kingsbury) hace posible la formación automática de una película de aceite en forma de
cuña bajo una carga de empuje. Este resultado se asegura dividiendo el elemento estacionario de la
chumacéra en segmentos (llamados zapatas), usualmente en número de tres o seis.
Estas zapatas son sustentadas y pivoteadas de tal modo, que están en libertad de inclinarse ligeramente. El
elemento rotatorio de la chumacéra (collarín) está fijo al eje de la turbina o al eje propulsor, girando
conjuntamente con éste. El montaje total está sumergido en aceite. Cuando el eje rota, parte del aceite es
arrastrado (entre el collarín y cada zapata) por el borde de entrada (borde de ataque) del segmento. El empuje
en el eje o collarín tiene, naturalmente; una tendencia a expulsar este aceite, el que puede abandonar la
zapata por tres lados. En consecuencia el borde de salida necesita presentar sólo un pasaje mucho más
estrecho para el aceite que el borde de entrada o de ataque. La película de aceite en forma de cuña queda
establecida. Es obvio, de conformidad con lo expresado, que ésta película asumirá automáticamente cuanta
conicidad sea requerida por la velocidad, carga y viscosidad del aceite. La presión de apoyo de una
chumacéra típica de segmento pivoteado es alrededor de doscientos cincuenta libras por pulgada cuadrada
de área efectiva. Los elementos esenciales de una chumacéra de empuje de zapata (segmento) pivoteada
(Kingsbury), son:
1. El collarín de empuje de acero y enchavetado al eje de la turbina o eje propulsor; el collarín trasmite el
empuje del eje a la película de aceite y a las zapatas o segmentos.
2. Los segmentos de balance, también llamados zapatas, los cuales mantienen la cuña de aceite apropiada
entre el collarín y los segmentos o zapatas y trasmiten el empuje a las placas igualadoras.
3. Las placas igualadoras superiores sobre las cuales descansan los segmentos o zapatas y las placas
igualadoras inferiores sobre las cuales se apoyan las placas igualadoras superiores; la función de estas
placas igualadoras es distribuir uniformemente la carga de empuje entre las zapatas (segmentos).
4. El anillo base, sobre el cual descansan las placas igualadoras inferiores. Este anillo base forma el soporte
que mantiene las placas igualadoras en su lugar, y trasmite el empuje ejercido sobre ellas a la estructura del
buque.
Los botones o pivotes de acero endurecido, que forman parte de las zapatas, se apoyan contra las superficies
de acero endurecido de las placas igualadoras superiores y sirven de pivote a estos segmentos de modo que
puedan asumir su ángulo correcto de inclinación. Son impedidos de girar, arrastrados por el collarín, gracias a
la construcción dentada del borde externo del anillo base que se adapta a las entalladuras practicadas en los
lados de estos segmentos.
Las placas igualadoras superiores se mantienen en su lugar por pasadores (pines) que se colocan a través
de la periferia exterior del anillo base y se insertan en orificios ligeramente sobre medida en los lados externos
de las placas igualadoras. Las placas igualadoras inferiores se mantienen en su lugar por pasadores o
prisioneros que se fijan en la parte inferior de las placas igualadoras, conectándolas al anillo base. En ambos
casos hay un amplio juego entre el anillo base y estas placas para asegurar así la libertad de movimiento de
las mismas.
El asiento del anillo base ajusta en la caja de la chumacéra, estando impedida de girar por razón de su
construcción dentada. El aceite de lubricación es suministrado a estas chumacéras por el sistema de
lubricación de la máquina principal utilizando las tuberías.
6.12. FORMACIÓN DE LA PELÍCULA HIDRODINÁMICA COJINETE.
La formación de la película de aceite en forma de cuña en un cojinete es muy similar a la del cojinete de
empuje. La formación progresiva cuando el muñón acelera de cero a una velocidad normal. En: a). el muñón
está en descanso, en b). éste está girando lentamente, y debido a la alta fricción está “ascendiendo” el lado
izquierdo del cojinete, deteniéndose en una posición donde el componente superior de la fuerza de fricción
balancea el peso. Mientras el muñón está bombeando aceite a la posición AAA; la presión incrementada aquí
tiende a mover el muñón de regreso a la derecha, resultando en la posición. Pero el muñón continúa su
bombeo de aceite a la región AAA y el eje busca su posición final a una velocidad de funcionamiento, marcha
hacia la derecha del centro de cojinete, muestra esto junto con la distribución de la presión en la región AAA la
cual se combina en una fuerza resultante “R”. Esta fuerza mantiene al eje en equilibrio arriba de la “pendiente”
del lado derecho del cojinete.
Junsaker y Rightmire han demostrado que la fuerza resultante debido a la presión de la película está siempre
en ángulos derechos de la línea de los centros. El muñón, por lo tanto, siempre se coloca por sí mismo en el
cojinete de manera que la línea entre el centro del muñón y el centro del cojinete esté en ángulos derechos a
la dirección de la carga. La magnitud de la carga determina el grado de excentricidad del centro del muñón
desde el centro del cojinete, grandes cargas causan una gran excentricidad. Las declaraciones anteriores se
mantienen verdaderas para cualquier eje que lleva una carga la cual es constante en magnitud y dirección. No
se mantienen como verdaderas en casos donde la magnitud varía, como en el eje cigüeñal de una máquina
de combustión interna. En años recientes, el cojinete de zapata pivoteada ha sido adaptado para soportes. Si
las zapatas están adecuadamente pivoteadas, tendrán la libertad de movimiento que les permita a ellas
alinearse al eje automáticamente por sí mismas y aún mantener al eje muy cercano a su posición axial
adecuada. El movimiento del centro del muñón, puede dar un total de varias milésimas de pulgada. Un
cojinete de zapata pivoteada, es capaz de restringir su movimiento a una cantidad mucho más pequeña.
Un fenómeno que ocurre en alta velocidad, en cojinetes ligeramente cargados es un “remolino de aceite”. Éste
resulta de una inhabilidad de las fuerzas presentes para alcanzar el equilibrio, con la consecuencia de que el
eje se arremolina rápidamente alrededor del agujero del cojinete, provocando una vibración intensa. El muñón
del eje y el cojinete pueden ser destruidos bajo estas condiciones. El cojinete de zapata pivoteada ha sido
muy exitoso para remediar esta condición.
6.13. PROPIEDADES DEL ACEITE LUBRICANTE
Es evidente que ciertas propiedades del fluido están asociadas con las propiedades de lubricación, la
“lubricidad” ha sido analizada. La viscosidad es otra propiedad altamente importante de un lubricante. La
viscosidad puede ser definida como la resistencia de un fluido a las fuerzas de corte. Los fluidos de alta
viscosidad soportarán cargas más pesadas, pero tendrán una mayor resistencia a cortar o a una fricción
interna más grande. Los fluidos de alta viscosidad requieren huelgos más grandes en los cojinetes. Por otro
lado, fluidos de baja viscosidad requieren un menor huelgo de cojinete y tienen grados más pequeños de
fricción interna. La selección por lo tanto es un compromiso considerando la carga, huelgo y temperatura de
operación. Ésta última es importante porque la viscosidad disminuye con un incremento en la temperatura.
Una temperatura de operación demasiado alta resulta en una inaceptable baja de la habilidad de transporte de
carga. Los lubricantes ahora son tratados con aditivos los cuáles tienden a suprimir el cambio de la viscosidad
con la temperatura.
Como una manera práctica, un buen aceite lubricante para las turbinas y los engranes de reducción debe de
tener otras características. Éste debe de resistir la oxidación, la cual produce ácidos orgánicos que pueden
reaccionar químicamente con los materiales del cojinete para corroer las superficies del mismo. La oxidación
es fomentada por temperaturas altas y la presencia de óxidos de metal u otras impurezas las cuáles pueden
catalizar la reacción. La presencia de agua en el aceite lubricante produce moho u oxidación de superficies
metálicas y por lo tanto produce oxidación del aceite mismo. Los aditivos actúan como antioxidantes e
inhibidores del óxido ayudando en este problema. Ya que es difícil prevenir la entrada de agua al sistema de
lubricación, la emulsificación de agua y aceite puede ocurrir, el fluido resultante tiene pobres cualidades de
lubricación y produce corrosión. Entonces un buen lubricante debe de tener una alta demulsibilidad o habilidad
para separararse rápidamente de una emulsión.
En resumen, los requisitos de un buen lubricante de turbinas son:
1. Que éste rápidamente forme y mantenga una película de límite (adecuada lubricidad).
2. Que éste forme una película hidrodinámica con pocas pérdidas de fricción (viscosidad adecuada).
3. Que éste sea resistente a cambios físicos y químicos (lento para oxidarse y buena demulsibilidad)
Antes de ser aceptados para uso naval, los aceites lubricantes son sometidos a pruebas conducentes para la
investigación de sus propiedades siguientes:
1. Viscosidad. La viscosidad o cuerpo de un aceite es la medida de su rozamiento interno. Para los fines
prácticos se determinan anotando el número de segundos que requiere una cantidad dada (sesenta mililitros),
a una temperatura fija, para fluir a través de un orificio de características uniformes aprobados. El viscosímetro
Seibolt Universal es el aparato de medición usado generalmente para aceites lubricantes.
A medida que aumenta la viscosidad de los aceites minerales, aumenta la capacidad de la película de aceite
para oponerse a su ruptura. La viscosidad de un aceite disminuye conforme aumenta su temperatura. En
general, mientras mayor es la velocidad de rozamiento, lo cual depende del diámetro del eje y de su velocidad
de rotación, menor habrá de ser la viscosidad. Sin embargo, si usamos un aceite de una mayor viscosidad, el
aumento de su fricción interna tenderá a aumentar la temperatura y a reducir su viscosidad; hasta que se
alcance una condición de equilibrio a alguna temperatura de operación más elevada. Mientras mayor sea la
presión unitaria de las superficies en contacto, mayor habrá de ser la viscosidad a fin de evitar la ruptura de la
película de aceite.
2. Punto de Congelación. El punto de congelación es la temperatura a la cual un aceite se solidifica o congela.
Es de especial importancia en relación con máquinas frigoríficas y con el arranque en frío de motores de
combustión interna, los aceites parafínicos requieren un tratamiento especial durante el proceso de refinación
a fin de proporcionarles un bajo punto de congelación.
3. Punto de inflamación. El punto de inflamación de un aceite es la temperatura a la cual emite vapores
inflamables en cantidad suficiente para ser encendidos momentáneamente al entrar en contacto con una
llama. Los valores mínimos requeridos para puntos de inflamación varían desde trecientos quince grados
farenjeit para los más ligeros hasta quinientos diez grados farenjeit para los más pesados empleados en los
sistemas de lubricación forzada, y desde trecientos cuarenta y cinco grados farenjeit a quinientos veinticinco
grados farenjeit para los diferentes aceites de máquinas de cilindro.
4. Punto de combustión. El punto de combustión es la temperatura a la cual el aceite continúa ardiendo una
vez encendido, o sea, cuando permanece encendido no obstante haber sido retirada la llama que se utilizó
para inflamarlo.
5. Temperatura de combustión espontánea. La temperatura de combustión espontánea es aquella a la cual
los vapores inflamables emitidos arderán sin necesidad de aplicarles una chispa o llama. Para la mayor parte
de los aceites lubricantes, esta temperatura es aproximadamente de setecientos cincuenta grados farenjeit.
6. Número de neutralización. El número de neutralización de un aceite es una medida de su contenido ácido y
está determinado por los miligramos de hidróxido de potasio que se requieren para neutralizar la acidez
habida en un gramo del aceite objeto del ensayo. Todos los derivados del petróleo se deterioran (es decir, se
oxidan) en presencia del aire y el calor, Los productos de la oxidación incluyen ácidos orgánicos que, si se
hallan presentes en suficiente concentración, tienen efectos muy perjudiciales sobre:
a). Chumacéras de aleación a elevadas temperaturas.
b). Superficies galvanizadas.
c). La demulsibilidad del aceite cuando es mezclado con agua dulce o salada.
Este último efecto es el más importante en las instalaciones de turbinas, donde puede dar lugar a la formación
de cieno y emulsiones demasiado estables para ser separadas por los medios disponibles. El aumento en
acidez, con el uso, es un índice de deterioro y es medido y considerado como parte de la prueba del factor de
trabajo, que es un ensayo de laboratorio encaminado a determinar la durabilidad o estabilidad de un aceite
bajo condiciones de servicio.
7. Demulsibilidad. La demulsibilidad es una característica importante de los aceites usados en los sistemas de
lubricación a presión. Es la medida de la capacidad de un aceite para separarse de una emulsión de aceite y
agua (dulce o salada).
6.14. ACEITE LUBRICANTE COMO REFRIGERANTE.
La explicación anterior ha estado centrada en el uso de la lubricación para reducir la fricción acompañada de
pérdidas de potencia. La fricción no puede ser eliminada. Ha sido demostrado que la fricción de un fluido
reemplaza la fricción en seco, pero la potencia aún es perdida a través de la generación de calor en los
cojinetes. Cojinetes ligeramente cargados con movimiento lento pueden disipar el calor generado por
radiación y conducción, pero la energía en el orden de unos cuantos cientos de caballos de fuerza pueden
estar perdidos en los cojinetes de grandes turbinas a potencias altas. Así, una importante función adicional del
lubricante es servir como un refrigerante. Esto es realizado por la circulación y enfriamiento en un
intercambiador de calor. La circulación tiene un efecto doble, el cual es disponer del calor generado en los
cojinetes mientras simultáneamente previene al aceite de alcanzar un rango de temperatura donde un cambio
de sus propiedades físicas o químicas pudieran poner en peligro sus cualidades de lubricación. El sistema
descrito en el artículo 6 punto 15 es el sistema de lubricación principal en la planta de propulsión. Además de
éste, es costumbre para cada componente auxiliar tener un sistema de lubricación propio. Éstos serán
mencionados cuando los componentes sean estudiados.
6.15. EL SISTEMA DE LUBRICACIÓN PRINCIPAL.
El sistema de lubricación principal, entonces sirve:
1). Para proporcionar un abastecimiento continuo de aceite a la turbina y los cojinetes de los engranajes
reductores a una temperatura apropiada para la lubricación de los cojinetes.
2). Para rechazar el calor generado en los cojinetes.
3). Para remover agua y contaminantes sólidos del lubricante.
Para realizar estas funciones el sistema de lubricación consiste de las siguientes partes esenciales:
a). Bombas para enviar lubricante a varias partes del sistema.
b). Tanques de drenado del lubricante o tanques de suplemento en los cuales el lubricante es recogido
después de que este sale de los puntos de lubricación.
c). Enfriadores de lubricante los cuáles mantienen al lubricante a la temperatura deseada.
d). Tanque de sedimentación de lubricante en el cual agua y otras impurezas se asientan y en los cuales el
lubricante usado es almacenado.
e). Coladores y filtros de lubricantes que remueven del lubricante grandes partículas de material extraño del
lubricante.
f). Purificadores de lubricante, los cuales remueven el agua y otras impurezas que no se asientan en el tanque
de sedimentación.
g). Calentadores de lubricante, se usan antes de entrar el aceite al purificador para facilitar su purificación y
además pueden ser usados para calentar el lubricante cuando la planta está iniciando en condiciones de
temperaturas bajas.
h). Medidores, termómetros, válvulas relevadoras y dispositivos de calentamiento necesarios para operar y
controlar el sistema.
La siguiente instalación es encontrada en un portaviones grande y moderno. Está descrito con un poco de
detalle para representar un montaje típico. El sistema descrito sirve a una planta de propulsión principal.
Tres bombas son proporcionadas al sistema:
1. Una bomba acoplada la cual está engranada e impulsada por el engrane de reducción principal.
2. Una turbobomba la cual tiene un gobernador operado por presión de aceite del cojinete más lejano.
3. Una electrobomba con un interruptor de control de presión.
Bajo una operación normal, la bomba acoplada manda presión al sistema, variando con la velocidad pero
limitada a un máximo de veinticinco libras sobre pulgada cuadrada por una válvula de descarga automática.
La turbobomba es puesta a funcionar en vacío a sesenta ERRE PE EME en una condición de espera (estand
bai), mientras la bomba acoplada está funcionando normalmente. En operaciones a baja velocidad, parado o
de Ciar, el gobernador es accionado cuando la presión en el cojinete más alejado cae a siete libras sobre
pulgada cuadrada y la turbobomba automáticamente acelera e incrementa la presión a veinticinco libras sobre
pulgada cuadrada. Ésta corta automáticamente cuando el buque acelera al punto donde la bomba acoplada
puede proveer la presión. La electrobomba está normalmente parada, pero arranca automáticamente si la
presión de lubricación del cojinete más alejado cae a cinco libras sobre pulgada cuadrada, ésta debe pararse
manualmente. Ésta bomba también puede ser usada como una bomba de transferencia y suplemento de
lubricante cuando la maquinaria está en puerto.
El colector es sencillamente un tanque de drenado ubicado debajo de los engranajes de reducción, unido a la
sección inferior de la carcasa. Los engranes de reducción, cojinetes de los engranes de reducción y cojinetes
de la turbina drenan aceite al colector por gravedad. La bomba succiona directamente sobre el colector.
La bomba operando, bombea lubricante al filtro stréiner, un tipo de filtro de canasta dúplex así diseñado para
que el lubricante pueda ser dirigido a través de una de las canastas mientras que la otra puede ser removida
para limpieza. Las canastas están hechas a la medida con ensambles magnéticos removibles para atraer
partículas magnéticamente.
El lubricante fluye del Stréiner al intercambiador de calor a donde pasa alrededor de un haz de tubos a través
de los cuales fluye agua salada. Por estrangulamiento del flujo de agua salada a través del intercambiador, la
temperatura de salida del lubricante es controlada, el lubricante luego pasa a la turbina y al cojinete del
engranaje de reducción donde se completa el ciclo.
Una parte del lubricante puede ser dirigido al Tanque de Sedimentación, donde los serpentines de
calentamiento hacen una separación del agua y los contaminantes sólidos o puede ser continuamente
alimentado al purificador donde ocurre la separación mecánica. Cuando se está navegando, los purificadores
operan cerca de la mitad del tiempo. Alrededor de una vez al mes, cuando la planta está parada, todo el
lubricante es recirculado por el purificador.
Los cojinetes de la turbina generalmente deben de tener una temperatura de entrada del lubricante de ciento
veinte a ciento treinta grados farenjeit. La temperatura de salida debe de ser de ciento cuarenta a ciento
sesenta grados farenjeit pero nunca mayor que ciento ochenta grados farenjeit. El máximo ascenso de
temperatura permitible en el cojinete es cincuenta grados farenjeit, sin embargo tal régimen puede causar una
temperatura final inferior que ciento ochenta grados farenjeit. Los cojinetes son arreglados con termómetros
para un continuo chequeo (algunos más recientes tienen termocoples instalados) y con mirillas indicadoras de
flujo para asegurar el continuo suplemento.
6.16. SELECCIÓN DE UN LUBRICANTE.
La viscosidad a una temperatura dada es la propiedad por la cual los aceites se clasifican generalmente. La
que ha de usarse en cada caso depende de las condiciones de operación. La viscosidad de los aceites de
cualquier clase en particular, se determina por medio de un viscosímetro Seibolt Universal, que emplea una
temperatura específica para cada clase o tipo. Los diversos tipos de aceite ostentan un número a manera de
símbolo, que señala su clase y viscosidad. Por ejemplo, el aceite símbolo 2135 es un aceite de clase dos con
una viscosidad de ciento treinta y cinco segundos, Seibolt Universal a ciento treinta grados farenjeit.
Puesto que el aceite en un sistema de lubricación de turbinas debe lubricar bajo circunstancias diferentes, la
selección obedecerá a la exigencia de la condición más difícil que se ha de confrontar. Por ejemplo, en las
unidades reductoras de la turbina Principal, las chumacéras de alta velocidad y los engranajes cuyos dientes
soportan elevadas presiones, son lubricadas con aceite que procede del mismo sistema. A fin de proveer una
película de aceite adecuada para la lubricación, y el amortiguamiento del contacto entre diente y diente de los
engranajes, se emplea un aceite de una viscosidad mayor que de otro modo sería deseable para las
chumacéras.
6.17. METALES DE LA CHUMACÉRA O DE MANGUITO.
Si la chumacéra y el muñón fuesen igualmente duros, el mismo desgaste tendría lugar en cada uno. Ya que el
muñón es una parte integral del eje de la turbina, el reemplazo del cual ocasionaría un gran desembolso, el
material de la chumacéra ha de ser un metal más blando, y consecuentemente absorberá cualquier desgaste
en el caso de que llegue a estar en contacto rozante real con el eje. Además, el metal de las chumacéras de
manguito debe tener un bajo coeficiente de fricción y ser lo suficientemente plástico para conformarse a
cualequiera de las irregularidades del eje, no obstante ser de suficiente dureza para resistir las cargas
predominantes, aún a temperaturas anormalmente altas.
Los revestimientos de las chumacéras en las turbinas modernas son hechos de una aleación a base de
estaño, entrando en la composición el cobre y el antimonio. También el hierro, el arsénico y el plomo son
añadidos, pero en cantidades menores. Los metales de chumacéra, que empleen el estaño como base de su
composición son conocidos como metales “Babbitt”.
6.18. SUMINISTRO DE LUBRICANTES A LAS CHUMACÉRAS.
Las ranuras para el aceite (comúnmente conocidas como patas de araña) son depresiones en la cara interna
de la chumacéra, dispuestas de modo tal, que aseguren una completa distribución del lubricante sobre toda la
superficie de apoyo, y para proveer además un conducto para eliminar (inundando con aceite) cualquier
partícula abrasiva que pudiera haber penetrado. Las ranuras se labran solamente en el área exenta de
presión del revestimiento de la chumacéra. El aceite de la fuente externa de suministro penetra en ésta área y
fluye a través de las citadas ranuras. Éste es arrastrado por la rotación del muñón hacia el área de alta
presión, conforme se explicó previamente. Si el área de alta presión estuviese ranurada, la película (fluida) en
forma de cuña, podría ser destruida. Las ranuras no deben extenderse demasiado cerca de los extremos de la
superficie de rozamiento de la chumacéra, ya que esto permitiría al aceite escapar del espacio ocupado
normalmente por él, debilitándose en consecuencia la película fluida. En pequeñas chumacéras para servicio
de alta velocidad, la acción de bombeo desarrollada por la misma, más la constante presión bajo la cual el
aceite es suministrado, asegura el mantenimiento de una lubricación efectiva. Las ranuras pueden resultar
innecesarias en este tipo de chumacéra.
En la práctica actual de construcción de turbinas, parte de los bordes de cada mitad de la chumacéra son
achaflanados ligeramente a lo largo de la línea de la unión de modo que, cuando ambas mitades sean
acopladas quede una ranura en la intersección de las mismas. De esta forma el flujo de aceite de las ranuras
hacia el intersticio entre las superficies rozantes es llevado a cabo más fácilmente debido al mantenimiento de
una constante película de aceite en forma de VEE en tales puntos. La chumacéra nunca deberá ser
achaflanada en toda su longitud, ya que el aceite podría escurrirse de los extremos de la misma, debilitándose
con ello la película de aceite. En funcionamiento este espacio biselado actúa como un depósito cuando el eje
está en reposo. Durante esta condición, el aceite ha sido expulsado de la parte inferior o área de alta presión y
existe contacto entre las capas límites. Al arrancar es esencial que el aceite sea impulsado inmediatamente a
esta área, o de lo contrario pueden ocurrir ralladuras. Si las ranuras y los biséles están llenos de aceite, la
acción de bombeo del eje, iniciará tan pronto comienza a rotar, resultando la formación inmediata de por lo
menos una película fluida parcial.
En general, la fricción en las chumacéras aumentará y las temperaturas de operación se harán mayores
mientras mayores sean:
1. La presión unitaria sobre la chumacéra;
2. La película lubricante, si está por debajo de un mínimo definido;
3. La velocidad de rozamiento.
4. La viscosidad del lubricante.
En el caso de que una chumacéra sea dañada al producirse contacto metálico y el consiguiente arrollamiento
del metal blando (recalentado) del revestimiento, dando lugar al aumento del espacio libre destinado para el
aceite, es posible que este espacio, aumentado en la chumacéra dañada, provoque el contacto metálico en
otras chumacéras que se sirven del mismo sistema de lubricación. En las turbinas modernas esto se evita
mediante el uso de válvulas de aguja. La línea de suministro a cada chumacéra de la turbina principal y a
cada chumacéra de empuje es dotada con una válvula de aguja. Estas son construidas de modo tal que no
pueden interrumpir enteramente el flujo de aceite a la chumacéra. El ajuste normal de las mismas está en una
posición que aproximadamente corresponde a la mitad del recorrido entre las aberturas máxima y mínima.
Con las válvulas de aguja debidamente ajustadas, el flujo de aceite a las chumacéras es el suficiente para
proveer una adecuada lubricación pero, si el revestimiento de metal blando de una chumacéra ha sido
arrollado en tal forma que el aceite escurre libremente por los lados de la misma, su válvula de aguja
correspondiente no permitirá que la chumacéra dañada tome una cantidad excesiva de aceite en perjuicio del
normal suministro a las otras.
CAPÍTULO SIETE.
CONTROL DE LA TURBINA PROPULSORA DEL BUQUE Y DISPOSICIONES DE CRUCERO.
7.1. GENERALIDADES SOBRE EL CONTROL DE LA TURBINA PROPULSORA DEL BUQUE.
La potencia desarrollada por una turbina depende de la cantidad de vapor suministrado a la misma y, por
supuesto, de la presión y temperatura del vapor de admisión y de descarga. Puesto que la presión y
temperatura de admisión se controlan por agentes fuera de la turbina y se mantienen normalmente constantes
para una velocidad dada, la potencia desarrollada depende, hasta donde concierne a la turbina misma, de la
cantidad de vapor admitido a la unidad. El control de potencia, por lo tanto, significa simplemente el control del
valor en peso del flujo de vapor (régimen de flujo).
Los mecanismos de control de las turbinas propulsoras de buques, deben ser capaces de variar la velocidad
(potencia) a la medida que se desee. Algunos de los métodos y aparatos usados con tal propósito serán
descritos en los artículos siguientes.
7.2. CONTROL MANUAL DE TURBINAS PROPULSORAS DEL BUQUE.
En instalaciones propulsoras antiguas, el flujo de vapor a través de la turbina se controlaba manualmente por
medio de:
1. Una válvula de cuello simple.
2. Por válvulas de control de toberas.
3. Por válvulas de derivación (bai pas).
1. La válvula de cuello.
Es instalada a la entrada del vapor a la turbina, es decir, en el extremo de admisión, y constituye el medio
principal de controlar el flujo de vapor a la misma. En algunas instalaciones la apertura y el cierre de la válvula
de cuello está montado directamente a la cámara de distribución de vapor de la turbina, mientras que en otras
está a alguna distancia de ésta, conectándose a ella por medio de un tramo de tubería. Variando la cantidad
de abertura de la válvula de cuello, la presión en la cámara de distribución de vapor se eleva o baja, y la
cantidad de vapor admitido a la turbina aumentará o disminuirá. Los diferentes tipos de válvulas de cuello se
describen en el libro de Maquinaria Naval Auxiliar. El uso exclusivo de la válvula de cuello para controlar el
flujo de vapor correspondiente a los distintos regímenes de velocidad de la turbina, podría resultar en una
pérdida considerable en eficiencia a las velocidades más bajas (pequeña abertura de la válvula de cuello)
debido a pérdidas por estrangulamiento; y también porque la disminución de la presión en la cámara de
distribución daría lugar a que las toberas de la turbina estarían siendo operadas a una presión de un valor
distinto del más eficiente. A causa de las razones expresadas las turbinas son dotadas de válvulas de control
de toberas.
2. Válvulas de control de toberas.
Los extremos de alta (presión) de las turbinas de alta presión son dotados de empaletados de acción,
generalmente del tipo de velocidad compuesta. El vapor es dirigido contra éste empaletado mediante toberas
que están generalmente colocadas alrededor de todo el círculo de paletas. Suministrando vapor a los distintos
grupos de éstas. Cada cámara está dotada con una válvula de control. El vapor es primeramente admitido a la
turbina, por conducto de la válvula de cuello, a la cámara de distribución de vapor; y a través de las válvulas
de control, pasa a las cámaras y a las toberas.
Puesto que las toberas pueden ser diseñadas para operar con un máximo de eficiencia sólo a una presión
específica de admisión y descarga, cualquier variación en la presión de admisión que se aparte de la
proyectada, dará como resultado una pérdida de eficiencia. Cada cámara de toberas suministra vapor a un
diferente número de toberas, de modo que, abriendo la combinación apropiada de válvulas de control es
posible, para cualquier velocidad dada (potencia), mantener aproximadamente la presión total de vapor de
diseño sobre las toberas en uso. Además de operar estas a su presión más eficiente, la pérdida por
estrangulamiento queda reducida a un mínimo a causa de que no hay prácticamente caída de presión en la
válvula de cuello. Las variaciones menores de velocidad dentro de cualquier combinación de válvulas de
control de toberas son, sin embargo, obtenidas por la válvula de cuello.
3. Válvulas de derivación o bai pas.
Con la válvula de cuello y todas las válvulas de control de toberas totalmente abiertas se alcanza un punto
donde no más vapor puede pasar a través de la turbina; el flujo de vapor está limitado por el área de la
sección transversal de las toberas de la primera etapa. A fin de obtener un aumento extra de flujo, se instalan
válvulas que derivan (válvulas de bai pas) gran parte del vapor por fuera de la primera etapa, admitiéndolo
directamente a una etapa posterior donde el área total de las toberas es mayor. La derivación de la primera
etapa permite que una presión de vapor más alta trabaje sobre las paletas mayores de las etapas
subsiguientes, desarrollándose por tanto más potencia. En algunas turbinas se instalan varias válvulas de
derivación (válvulas de bai pas). Cuando una etapa es derivada, se tomarán medidas para asegurar un
pequeño flujo de vapor a través de esa etapa, a fin de mantenerla libre de recalentamiento. Esto se lleva a
cabo calculando las válvulas de derivación de modo que haya una pequeña caída de presión a través de la
etapa. Esto, da como resultado un pequeño flujo de vapor a través de la primera etapa que evita el
recalentamiento de la misma.
7.3. CONTROL MODERNO DE TURBINAS PROPULSORAS DE BUQUES.
A fin de simplificar el control desde el punto de vista de la operación, algunos de los más recientes
mecanismos usados en el control de las turbinas propulsoras son diseñados para combinar en un volante
único, (accionado a mano) la operación de la válvula de cuello, las de control de toberas y las de derivación.
Limitaciones de espacio, no permiten una exposición detallada de todos los tipos en uso, pero la siguiente
descripción de un mecanismo de control en un acorazado moderno, servirá para familiarizar al estudiante con
un diseño típico, igual al instalado en muchos buques modernos de combate. Los detalles del equipo varían
con la clase de buque. Pero los principios básicos son los mismos. Los manuales de instrucción de los
fabricantes darán una descripción detallada de cada tipo en particular. El sistema de control al que hemos
hecho referencia consiste de siete válvulas accionadas por levas para la operación avante y una válvula
simple para la operación de Ciar, en cada unidad propulsora. Puesto que la válvula de Ciar no es nada más
que una válvula de cuello simple que admite vapor a la turbina de dar atrás, no ofreceremos más detalles
sobre ella. La apertura y cierre de las siete válvulas de avante se lleva a cabo por un simple árbol de levas
sobre el que están montadas. Dispuestas éstas de tal modo sobre el árbol, que abren (o cierran) las válvulas
en el apropiado orden de sucesión. El citado árbol de levas está engranado a un volante de mano de modo
que se requieren aproximadamente treinta vueltas, para abrir totalmente las siete válvulas.
Las válvulas Número 1, 2, 3 y 4 son válvulas de control de toberas, que admiten vapor a las toberas de la
primera etapa. La válvula Número 5 abre a continuación para admitir vapor, por conducto de la primera
derivación, directamente a las toberas de la segunda etapa. La válvula Número 6 es la próxima en abrir para
admitir vapor, a través del segundo bai pas o derivación, directamente a las toberas de la quinta etapa, y por
último, abre la válvula Número 7 admitiendo vapor a través del tercer bai pas directamente a las toberas de la
séptima etapa. Cada válvula es levantada por su varilla mediante el sistema de crucetas y levas, y vuelta a su
asiento, por efecto de la fuerza o tensión del resorte que tiene en su parte superior. No hay modo de cambiar
el orden de sucesión en que abren las válvulas. En el volante que acciona el árbol de levas hay un indicador
que muestra qué válvula está abierta. La válvula Número 1 comienza a abrirse tan pronto como el indicador o
índice se mueve alejándose de la posición “cerrado”, y las otras válvulas se abren en los puntos señalados por
el indicador a medida que el volante es hecho rotar en un sentido contrario a las manecillas de un reloj.
Cuando el indicador alcanza la posición “abierta”, todas las válvulas están abiertas enteramente. Haciendo
girar el volante en un sentido a favor de las manecillas de un reloj, éste va cerrando las válvulas en el orden
inverso en que fueron abiertas.
Las válvulas Número 1 y 2 son válvulas de dos pulgadas, la Número 3 es una válvula de tres pulgadas, la
Número 4 es una válvula de cuatro pulgadas y las Número 5, 6 y 7 son válvulas de cinco pulgadas. Cada
válvula, excepto las de dos pulgadas, Número 1 y 2, están dotadas de una pequeña válvula piloto que abre
justamente antes que su respectiva válvula de tobera, y sirve para igualar parcialmente las presiones en la
parte superior e inferior de la válvula de tobera; de modo que pueda ser abierta fácilmente. Tal como fue
explicada la válvula de cuello al hablar del control manual, no existe una verdadera válvula de tal tipo en este
sistema. Cada válvula a su vez se convierte en una válvula de cuello, lográndose los cambios menores de
velocidad variando su grado de apertura.
7.4. GENERALIDADES SOBRE DISPOSICIONES DE CRUCERO.
En todos los buques hay una velocidad en la cual el consumo de combustible por milla es mínimo. Esta
velocidad más económica está basada en una combinación del consumo de combustible por milla de las
máquinas principales y la maquinaria auxiliar. La fuerza (combustible) usada por las máquinas principales
para impulsar al buque sobre el agua es aproximadamente proporcional al cubo de la velocidad del mismo.
Por otra parte, la maquinaria auxiliar requiere una gran cantidad de combustible aun cuando el buque esté
detenido, y ya en marcha, a medida que la velocidad de éste es incrementada, se produce sólo un pequeño
aumento gradual en la cantidad de combustible que precisa esa maquinaria auxiliar para su funcionamiento.
Por lo tanto, el combustible consumido por milla por la maquinaria auxiliar realmente decrece con el aumento
de la velocidad del buque. Estos regímenes variables de consumo de la maquinaria principal y de la auxiliar,
dan como resultado una velocidad más económica, para embarcaciones impulsadas por turbinas, de entre
doce y quince nudos, dependiendo del tipo de buque considerado.
A fin de economizar combustible (lo que aumenta el radio de acción) la mayor parte de la navegación se hace
lo más cerca posible de esa velocidad más económica, la cual, para un tipo de buque en particular representa
su velocidad de crucero. Nos referimos a ésta velocidad como velocidad normal de crucero. Por razones
obvias es deseable disponer de una velocidad más económica lo más alta que sea posible. Sin embargo, a
causa del aumento progresivo de la resistencia opuesta por el agua al casco del buque a medida que
aumenta la velocidad de éste, hay un límite práctico por encima del cual la velocidad más económica no
puede ser elevada. Aumentando la eficiencia de las máquinas principales tenderemos a mejorar la velocidad
más económica.
Por razones militares es también deseable que los buques de combate sean capaces de navegar a su
máxima potencia o próxima a ella durante el mayor tiempo posible. Éste requisito hace necesario diseñar las
plantas propulsoras con una eficiencia de turbina relativamente elevada a altas velocidades.
La máxima eficiencia se obtiene en una turbina cuando existe la óptima relación entre la velocidad de la paleta
y la velocidad del vapor, esto es, para las turbinas de reacción, cuando la velocidad de la paleta iguala la
velocidad absoluta del vapor multiplicada por el coseno del ángulo de entrada de éste y, para las turbinas de
acción, cuando la velocidad de la paleta iguala la mitad de la velocidad absoluta del vapor multiplicada por el
coseno del ángulo de entrada del mismo. Por lo tanto, a fin de obtener el consumo de combustible por milla
más bajo posible, la velocidad normal de crucero y para la condición de toda máquina, es necesario diseñar
las turbinas propulsoras, de modo que se obtenga una óptima relación entre la velocidad de la paleta y la del
vapor, al acercarse el buque a cualquiera de éstas dos condiciones. Esto se logra mediante el uso de etapas
de crucero.
7.5. ETAPAS DE CRUCERO.
A fin de lograr la óptima relación entre la velocidad de la paleta y la velocidad del vapor, en la velocidad
normal de crucero, o próxima a ella, las turbinas de alta presión son diseñadas con paletas relativamente
pequeñas que tienen un diámetro de paso grande en las etapas iniciales. Estas etapas son generalmente de
velocidad compuesta y al referirnos a ellas las denominamos etapas de crucero, incorporadas en el extremo
de alta presión de la turbina de alta, que proveen la óptima relación entre la velocidad del vapor en o cerca de
la velocidad normal de crucero.
Las pequeñas paletas de las etapas de crucero, sin embargo, restringen la cantidad de vapor que puede
pasar a través de la turbina con una presión dada en la tubería de suministro. Así, si bien aumenta la
eficiencia de la turbina alrededor de la velocidad normal de crucero, se limita el flujo de vapor y, por lo tanto, la
potencia que la turbina es capaz de desarrollar. A fin de que una mayor cantidad de vapor puede pasar a
través de la turbina, se instalan válvulas derivadoras (válvulas de bai pas) para que el vapor sea desviado por
fuera de las etapas de crucero cuando se desee alta potencia. Los derivadores o bai pases permiten que el
vapor de alta presión trabaje directamente sobre las paletas mayores de las etapas posteriores,
desarrollándose por tanto más potencia.
Hay muchas variaciones en el diseño de las turbinas que son dotadas con etapas de crucero. Una turbina de
combinación (acción y reacción) dotada con un bai pas entre el lado de salida de la primera etapa y el lado de
entrada de la sexta expansión. En ésta turbina todo el vapor pasa primero a través de las válvulas de control
de toberas a la etapa de acción de velocidad compuesta, la que, por adecuada selección del número de
toberas en uso, puede ser económicamente operada a todas las velocidades, hasta incluso la potencia
máxima. A bajas velocidades el vapor fluye a través de las etapas de crucero. Estas (segunda a quinta
expansión, ambas inclusive), sin embargo, no permitirán que una cantidad suficiente de vapor fluya a través
de la turbina por unidad de tiempo para desarrollar la fuerza necesaria a fin de lograr velocidades superiores
en unos pocos nudos a la velocidad de crucero. Si nuestro objetivo es obtener velocidades más altas que ésta
velocidad de crucero, hemos de abrir más válvulas de control de toberas y la válvula de derivación; esta última
permitirá que el vapor fluya directamente de la descarga de la primera etapa a la sexta expansión.
En este tipo de turbina se instalan tres válvulas de derivación en lugar de una. Para velocidades de crucero el
vapor es admitido a la primera etapa del empaletado de acción de velocidad compuesta a través de válvulas
de control de toberas. Para un incremento extra de la potencia, la primera válvula de bai pas es abierta
permitiendo que el vapor de la cámara de distribución pase directamente a la segunda etapa, que es una
etapa simple de acción. La segunda y tercera válvula de bai pas son también conectadas directamente a la
cámara de distribución de vapor. Estas válvulas son abiertas en orden de sucesión hasta que se alcanza la
potencia total. Usando varias válvulas de bai pas en lugar de una, es posible aproximarse más a la óptima
relación entre la velocidad de la paleta y la velocidad del vapor durante todo el régimen, desde la velocidad de
crucero hasta la máxima potencia.
Si a una turbina le es permitido rotar durante un período extenso en vapor muerto, esto es, si no hay flujo
continuo de vapor a través de los pasajes de paletas, éstas se sobrecalentarán debido a la fricción entre ellas
y el vapor muerto, lo cual puede ocasionar daño a las mismas. A fin de evitar esto, deben tomarse medidas
para asegurar un flujo positivo de vapor a través de las etapas que son derivadas, haciendo que exista una
caída definida de presión a través de éstas. Esto se logra diseñando las válvulas de bai pas de modo que la
presión en la entrada de las etapas a las cuales conducen los bai pases sea siempre más baja que la presión
a la entrada de la primera etapa de la turbina.
CAPÍTULO OCHO.
TURBINAS AUXILIARES Y SU CONTROL.
8.1. GENERALIDADES.
El sistema proporciona vapor para accionar los auxiliares de propulsión, y lo necesario para el funcionamiento
de la planta propulsora. Las condiciones y la presión del vapor de éste sistema varían dependiendo de la
instalación. Hasta años recientes, el sistema auxiliar era de seiscientas libras sobre pulgada cuadrada de
vapor saturado. Con la llegada de las calderas de presiones más altas, muchos de los auxiliares principales
son accionados por vapor recalentado a éstas presiones. En algunas otras instalaciones, una parte del vapor
principal es desrecalentado y reducido en presión a seiscientas libras sobre pulgada cuadrada para impulsar
ciertas unidades auxiliares.
Como un ejemplo en algunos buques la caldera genera mil doscientas libras sobre pulgada cuadrada de
vapor para el suministro de energía a las bombas de agua de alimentación principal, turbogeneradores de
servicio del buque, etc. Además cierta cantidad de vapor de la descarga del recalentador es enviado al
desrecalentador y de ahí a válvulas reductoras a seiscientas libras sobre pulgada cuadrada, éste sistema
suministra vapor a las bombas de condensado, bombas de servicio de combustible, los ventiladores de tiro
forzado, bomba de circulación principal, las bombas de servicio de lubricante, bombas de contraincendio, y
para estaciones reductoras de sistemas de baja presión.
En contraste, en otros buques todos los auxiliares principales son accionados por vapor auxiliar que viene
directamente de la salida del recalentador, sin reducción de presión excepto la causada por la circulación del
vapor en la línea.
Como consecuencia de éstas variaciones, la nomenclatura estándar es un poco difícil, y los dos términos,
sistema de vapor auxiliar a presión de la caldera y sistema de vapor auxiliar, usados aquí, se refieren al
suministro de vapor usado para la propulsión de auxiliares. El vapor auxiliar usado para otros propósitos será
designado por la presión del sistema.
8.2. TURBINAS AUXILIARES, CONSIDERACIONES GENERALES.
Dos tipos de impulsores primarios auxiliares son comúnmente usados:
1. Los motores eléctricos.
2. Las turbinas de vapor.
La selección del tipo de impulsor está sujeta a muchas consideraciones. La generación de energía eléctrica
por un turbogenerador multietapas es eficiente, y su uso para accionar una bomba con un motor bien
diseñado, es generalmente más eficiente que accionando la misma bomba con una turbina pequeña de pocas
etapas, la cual opera sin condensación. Sin embargo, hay varias consideraciones que hacen preferible la
selección de la turbina de vapor. Primero, aproximadamente arriba de cincuenta ache pes, las turbinas de
vapor comienzan a tener una ventaja decisiva sobre los motores eléctricos en peso y espacio por caballo de
potencia. Segundo, aún para tamaños más pequeños, la necesidad de la confiabilidad de la planta hace del
uso del vapor ventajoso al prevenir la interrupción de la planta completa en caso de una falla eléctrica aún de
corta duración. Por ejemplo, si las bombas de servicio de combustible fueran accionadas eléctricamente, el
barco tendría que detenerse, o al menos disminuir su velocidad, por una falla tan mínima como causada por
una sobrecarga eléctrica temporal en un interruptor. Debido a esto, todos los auxiliares vitales para la
propulsión son accionados ya sea normalmente por vapor, o están por duplicado o triplicado, donde al menos
uno de los cuales es independiente de la energía eléctrica. Tercero, algunas unidades auxiliares son
requeridas para operar a velocidades por arriba de las posibles para motores eléctricos o a velocidades
variantes las cuales pudieran ser difíciles de obtener con éstos. Por ejemplo, las velocidades de las bombas
de alimentación principal pueden ser tan altas como diez mil ERRE PE EME, y las velocidades de los turbo
ventiladores de tiro forzado arriba de cinco mil ERRE PE EME podrían ser requeridas. Finalmente el vapor a
baja presión para el tanque desaereador DE EFE TE calentando y desareando y otros usos de la planta
propulsora es requerido. Es termodinámicamente más eficiente usar vapor en situaciones en las cuales la
presión ha sido disminuida por la realización de trabajo que usar vapor en las cuales la presión ha sido
disminuida por un proceso de estrangulamiento. Las turbinas auxiliares son construidas por ser confiables.
Estas consideraciones llevan a una simplicidad de diseño en el gasto de eficiencia. Prácticamente todas las
turbinas instaladas antes de mil novecientos cincuenta excepto la turbina del generador de servicio del buque
fueron unidades de etapa única. Plantas más recientes incorporan turbinas de una, dos o tres etapas, todas
son del tipo de acción y están caracterizadas por una gran caída de presión a través de las etapas,
velocidades altas del rotor para mantener la proporción de velocidad paleta, velocidad vapor dentro de un
rango razonable y pérdidas de descarga altas. Las turbinas auxiliares más antiguas cuentan con una válvula
relevadora para prevenir que la envuelta esté sujeta a una sobrepresión en el caso de que la válvula de cuello
esté inadvertidamente abierta antes de que la válvula de descarga. Esta válvula descarga directamente a la
atmósfera del cuarto de máquinas y es generalmente puesta a funcionar de veinticinco a treinta libras sobre
pulgada cuadrada
La práctica más antigua es proporcionar una válvula cargada a resorte la cual puede ser cerrada
manualmente. La válvula está diseñada para abrir automáticamente cuando la presión de vapor en la envuelta
de la turbina excede la presión de la línea de descarga por más de dos libras sobre pulgada cuadrada
Cualquiera que sea el arreglo, todas las turbinas auxiliares están equipadas para prevenir que las envueltas
de las turbinas estén sujetas a sobrepresión. Esto permite una construcción mucho más ligera de la envuelta
de la turbina de lo que sería posible y previene el daño a los sellos del eje.
8.3. CLASIFICACIÓN Y TIPOS DE TURBINAS AUXILIARES.
Las turbinas auxiliares son usualmente del tipo de flujo radial, helicoidal, o axial. Pueden ser turbinas de una,
dos o tres etapas, excepto la turbina del generador de servicio del buque, la cual será tratada separadamente.
A menudo la primera etapa será de velocidad compuesta para permitir una gran caída de presión a través de
las toberas de la primera etapa sin una velocidad de la rueda alta. El tipo particular de turbina usado en
cualquier aplicación dada, variará de acuerdo a la elección del constructor de la unidad. Normalmente, solo las
características de arranque son especificadas; con estos límites, el comprador tiene una amplia variedad de
tipos. Se puede encontrar que los mismos componentes auxiliares en buques de la misma clase serán
accionados con diferentes tipos de turbinas. Turbina de acción y de flujo radial etapa única y reentrada. La
característica de re entrada efectúa una velocidad de salida de vapor más baja. El control de la válvula de
aguja, una característica encontrada en muchas turbinas auxiliares. La válvula de aguja alcanza la eficiencia
de una tobera en la conversión de energía térmica a cinética y evita mucha de la pérdida termodinámica
asociada con estrangulamiento puro. La aguja sirve, en efecto, para variar el flujo a través de la tobera
cambiando el área de la garganta, variando así el flujo sin disminuir la presión a la entrada de la tobera, como
sería hecho por una válvula de cuello. La entrada del eje a la envuelta es también típica; esto simplifica el
problema de sellamiento del eje, solucionado en éste caso por cuatro anillos de empaque de carbón.
Las turbinas de flujo helicoidal tangencial, son a menudo encontradas en varias aplicaciones. Las cuatro
reentradas, lo cual es equivalente a una etapa de velocidad compuesta con cuatro juegos de paletas fijas.
Varios juegos de toberas pueden ser montados alrededor de la periferia de éste tipo, dando un amplio rango
de potencia para el mismo tamaño de rueda.
La turbina de flujo axial de velocidad compuesta es una turbina montada verticalmente (con respecto al eje)
mientras que las anteriormente analizadas han sido montadas horizontalmente. En su aplicación aquí como
impulsor de bomba de circulación principal, el empuje sobre el impelente de la bomba es hacia abajo, así
como el peso de la turbina y los rotores de la bomba. Consecuentemente un cojinete de empuje es
proporcionado como está mostrado para soportar el empuje y el peso. Las turbinas antes mencionadas son
turbinas de etapa única, diseñadas para operar con vapor saturado de seiscientas libras sobre pulgada
cuadrada.
8.4. EFICIENCIA DE LA TURBINA AUXILIAR.
Mientras que la eficiencia de la turbina de propulsión principal (la energía en el eje de la turbina dividida entre
la energía que entra a la turbina) puede ir tan alta como setenta y cinco por ciento, la eficiencia de las turbinas
auxiliares es rara vez más grande de sesenta por ciento bajo las mejores condiciones, y puede estar en un
rango tan bajo como del diecisiete al veinte por ciento. Sin embargo, la falla de las turbinas para utilizar más
de la energía disponible, ya que la energía térmica remanente en el vapor de descarga no es normalmente
una pérdida para la planta, como en el caso de la propulsión principal y las turbinas generadoras de servicio
del buque, sino que es usada para varios propósitos para ser utilizados en conexión con el sistema de
descarga de auxiliares.
8.5. CONTROL DE LAS TURBINAS AUXILIARES.
Dependiendo de su aplicación, las turbinas auxiliares tienen sus medios de control. Los montajes varían
ampliamente; (solamente consideraciones básicas serán analizadas). Las descripciones de montajes
individuales están disponibles en los manuales de instrucción proporcionados con cada equipo instalado.
Control de Presión Constante. Muchas bombas operan con el principio de proporción de presión de descarga
constante, sin tomar en cuenta la demanda de flujo. La bomba de servicio de combustible, las bombas de
alimentación principal en muchos buques, y las bombas de contraincendio y sanitaria son ejemplos de tales
aplicaciones. Entender el esquema de la presión de la descarga y uso de sus variaciones desde la presión
deseada para controlar el suministro de vapor a la turbina es la base para éste tipo de control. Éste es un
dispositivo, llamado regulador de presión de la bomba.
La presión deseada es colocada en la rueda manual superior y el tornillo de ajuste, el cual controla la fuerza
sobre el diafragma de control variando la tensión del resorte. Cuando la presión de descarga de la bomba está
en su valor correcto, el diafragma está balanceado. Suponga que la presión cae un poco debajo de lo normal,
la reducción de presión permitirá al diafragma caer una ligera cantidad, este movimiento es transmitido por la
cruceta al cuerpo del centro, el carrete forza al diafragma inferior hacia abajo, presionando el vástago de la
válvula piloto pequeña, provocando que ésta abra, esto permite que el vapor fluya desde la línea de suministro
hasta la parte superior del pistón principal, forzándolo hacia abajo y abriendo más la válvula principal, más
vapor fluye ahora a la turbina de la bomba, provocando que ésta aumente su velocidad y eleve la presión de
descarga de la bomba. Cuando la presión se incrementa la secuencia es invertida, cerrando la válvula
principal lo necesario para permitir limitar la velocidad de la turbina.
Puede entenderse que tal sistema podría fácilmente ser inestable; esto es, las características del regulador
podrían causar que cada corrección se sobrepasara, provocando que la bomba disminuya y aumente su
velocidad alternativamente. La cámara de presión, con sus pasajes para los diafragmas a cada extremo de la
pieza del carrete, estrangulada por una válvula de aguja, proporciona un dispositivo amortiguador para
retardar la acción de la señal de presión sobre la válvula y prevenir la extralimitación. Éste sistema permite a
la cruceta controlar la válvula piloto fácilmente con cambios lentos en la señal de la presión, pero introduce un
retraso causado por el tiempo requerido para que el vapor (o condensado) fluya de un lado del diafragma al
otro lado cuando grandes cambios en la señal de presión son recibidas.
Control de Velocidad Constante. Bombas tales como la bomba de condensado principal y la bomba boster
principal alimentación (cuando están separadas) son a menudo controladas por reguladores de velocidad
constante. En estas aplicaciones, la presión de descarga no es tan importante como la prevención de una
velocidad demasiado alta de la bomba, lo cual daría por resultado una cavitación debido a la casi saturación
del líquido entrando a la succión. Si se mantiene a una velocidad constante, el flujo y la presión de descarga
serán regulados automáticamente por la perilla de capacidad característica de la bomba. Por ejemplo, en
buques de bajas velocidades, cuando el condensado fluye, la bomba de este bajará el nivel del mismo en el
condensador. Esto disminuye la dirección positiva disponible en el condensador; incrementando la dirección
total de la bomba, y bajando su capacidad. El mismo efecto ocurre en la bomba boster de alimentación. Estas
dos bombas entonces, son esencialmente autorreguladas para el flujo, proporcionando que su velocidad
permanezca constante.
Control de velocidad constante simplificado del tipo de contrapesos centrífugo. Los contrapesos tienden a ir
hacia afuera debido a la fuerza centrífuga. Cuando esto sucede, ellos aumentan la carga del asiento, lo cual
presiona al alojamiento hacia arriba, provocando eventualmente que el resorte regulador se comprima hasta
que su fuerza sea igual a la producida por los contrapesos. El movimiento del alojamiento tiende a cerrar la
válvula de cuello, disminuyendo el suministro del vapor a la turbina, hasta que se alcanza una velocidad
equilibrada. El regulador puede ser puesto a una velocidad deseada ajustando la posición relativa del
alojamiento y manguito, lo que es posible por su conexión roscada. Muchas variaciones de éste montaje son
usadas, a menudo involucrando el control de una válvula hidráulica por rotación de contrapesos. Un sistema
de este tipo será visto en relación con el generador de servicio del buque.
Control de Presión Diferencial. A menudo es necesario controlar la velocidad de la turbina de manera que la
presión diferencial es mantenida constante. Esto es deseable donde la regulación del agua de alimentación de
la caldera es automática. En éste caso, la velocidad de la bomba de alimentación principal es controlada para
proporcionar una presión diferencial constante a través de la válvula de regulación de agua de alimentación de
la caldera. (El flujo real a través de la válvula es entonces controlado por la posición de la válvula, la cual es
controlada por un dispositivo de regulación del nivel del colector de la caldera). En un sistema la presión
diferencial es sentida por un dispositivo que opera un sistema neumático, el cual opera a su vez un sistema
hidráulico para posicionar la válvula de cuello de la turbina. Los detalles de estos sistemas varían
ampliamente. Donde están instaladas, manuales de instrucción son proporcionados dando descripciones
completas.
Control Manual. El control manual es necesario en muy pocos auxiliares, siendo la excepción más notable los
turboventiladores de tiro forzado en calderas controladas manualmente. La regulación de aire por control
manual es la práctica en la mayoría de las instalaciones existentes, aunque recientemente el control
automático de combustión, el cual incluye control automático de abastecimiento de aire, ha sido adaptado
para nuevas instalaciones. El control manual consiste de abastecimiento de vapor variante por una válvula de
control de tobera o por una válvula de cuello operadas a mano.
8.6. DISPOSITIVOS DE SEGURIDAD DE LA TURBINA AUXILIAR.
Todas las bombas deben de estar protegidas contra velocidades de operación demasiado altas, para prevenir
sobrecalentamiento de la bomba misma con una consecuente expansión y amarre del rotor, o eje, o para
prevenir daño en la unidad impulsora.
Los motores eléctricos se aproximan a máquinas de velocidad constante, por ejemplo, su velocidad cambia
ligeramente con cambios en la demanda de potencia. Por lo tanto, bombas centrífugas accionadas por
motores eléctricos no tenderán a extralimitarse en su velocidad y el flujo sería detenido; la velocidad del motor
simplemente aumentará ligeramente a su velocidad de no carga, y permanecerá constante. Así las bombas
accionadas por electricidad son esencialmente auto protegidas.
El flujo de una bomba accionada por una turbina es detenido por un control de presión constante, tanto el
dispositivo de control como la característica de potencia de la bomba tenderán a ocasionar un incremento en
la velocidad. Esto puede ocurrir muy rápidamente y daría por resultado un daño casi inmediato. Un cierre
inadvertido de la válvula de succión o descarga de la bomba, un corte en la línea de descarga provocando una
repentina caída en la presión de descarga, o una pérdida de succión por la bomba debido a la cavitación
podría causar tal circunstancia. Para proteger a la bomba y a la turbina impulsora, un regulador de velocidad
límite es proporcionado, el cual actúa para limitar la velocidad de la turbina a su seguridad máxima, sin tener
en cuenta la acción de otros dispositivos de control. Éste regulador opera sobre el principio centrífugo de
carga analizado bajo control de velocidad constante, y de la misma manera. Las turbobombas las cuales
están provistas con control de velocidad constante no necesitan un dispositivo de protección adicional.
8.7. OTROS USOS DEL VAPOR AUXILIAR.
Además de proveer el vapor para accionar las turbinas auxiliares y el turbogenerador para el servicio del
buque, el sistema auxiliar de vapor debe proporcionar vapor para la operación de los eyectores de aire,
calentadores de combustible, deshollinadores de la caldera, calefacción del buque y otros servicios
misceláneos. Éste vapor es provisto por conducción de una parte del vapor recalentado a través del
desrecalentador y luego éste es enviado a la válvula reductora donde ésta presión es reducida a la deseada.
8.8. RECUPERACIÓN DEL VAPOR AUXILIAR USADO.
De la lista de usos de vapor auxiliar dada en el tema 8 punto 7 es visto que casi todas incluyen la utilización
del vapor como una fuente de calor, más que una fuente de energía cinética. La mayor parte de este calor
deseado es obtenida por condensación del vapor en éstos usos varios. Por ejemplo, a ciento sesenta y cinco
libras sobre pulgada cuadrada, una libra de vapor entrega ochocientos cincuenta y siete BEE TEE UUU en el
condensado de un vapor saturado, recalentado a trescientos grados éste ganaría solamente doscientos
sesenta y cinco BEE TEE UUU adicionales y requiere más aislamiento de línea y materiales para una
temperatura más alta en la construcción de un calentador auxiliar. Por lo tanto, el vapor saturado es
generalmente usado para estos servicios, excepto en los eyectores de aire. Como una regla general,
entonces, se puede decir que todos los componentes auxiliares los cuales utilizan vapor como una substancia
de calentamiento operan de manera que el vapor es calentado en el proceso; y aquellas unidades auxiliares
las cuales usan vapor como una substancia de trabajo operan de manera que el vapor no es directamente
condensado, sino que es entregado a una línea de descarga auxiliar. La excepción inevitable ocurre en los
eyectores de aire, donde el vapor es usado como un fluido de trabajo, y es condensado inmediatamente
después.
El condensado auxiliar formado en los servicios de calentamiento es regresado al tanque desaereador DEE
EFEE TEE ya sea directa o indirectamente, donde éste llega a convertirse en una parte del agua de
alimentación de la caldera. La mayoría de éste es drenado a varias unidades a presión atmosférica y fluye a
un tanque colector de drenado de baja presión, mencionado previamente, desde el cual éste es bombeado al
tanque desaereador DEE EFEE TEE algo de esto, especialmente el calentador de combustible (servicio y
serpentines de calentado del tanque) es condensado a una presión relativamente alta (ciento cincuenta libras
sobre pulgada cuadrada) y es conducido directamente al tanque desaereador DEE EFEE TEE.
8.9. LÍNEA DE VAPOR DE LA DESCARGA DE AUXILIARES.
Todos los auxiliares que operan sin condensado están diseñados para descargar a una línea de vapor de
descarga de auxiliares a quince libras sobre pulgada cuadrada. Ésta línea colecta el vapor de descarga de
auxiliares y los distribuye a los tres puntos de uso:
1. Una parte de éste es conducido a la válvula reductora, donde su presión es reducida a dos libras sobre
pulgada cuadrada y después es utilizado como vapor a sellos para las turbinas principales y las turbinas
generadoras de servicio del buque.
2. Otra parte es conducida a las plantas destiladoras, donde su presión es reducida a cinco libras sobre
pulgada cuadrada, para proporcionar el abastecimiento de vapor requerido para la conversión de agua de mar
en agua destilada.
3. El sobrante es conducido al tanque desaereador DEE EFEE TEE en donde, con los drenados de alta
presión, éste es utilizado para desaerear y calentar el agua de alimentación de la caldera.
Normalmente, el funcionamiento de la planta con respecto de la maquinaria auxiliar puede ser balanceado,
por la selección apropiada de la turbina y las unidades accionadas con motor de manera que el vapor de
descarga de auxiliares disponible es casi igual al requerido para los tres servicios arriba mencionados. Esta
condición es la más conducente para un funcionamiento económico.
Si el abastecimiento de vapor de descarga de auxiliares es insuficiente, su presión tendería a caer. Esto
provocaría que una válvula reductora de ciento cincuenta libras sobre pulgada cuadrada de la línea de vapor
auxiliar abra y lo abastezca en cantidad necesaria para mantener la presión. Esto no es económico, ya que el
proceso de estrangulación en la válvula reductora es un desperdicio.
Si el abastecimiento de vapor auxiliar es demasiado alto, su presión tenderá a aumentar. En este caso, una
válvula de descarga o liberadora de presión abrirá permitiendo que el exceso drene al condensador principal.
Este proceso tampoco es económico, ya que la energía térmica contenida en el vapor de descarga es
transferida al agua de mar circulante y sacada por la borda.
Arriba de veinte nudos, las eficiencias de las bombas, los turboventiladores y muchos otros componentes, son
bajas, Así que, aunque incremente su carga marcadamente durante este rango, la cantidad de vapor
requerida para accionarlos varía solamente una pequeña cantidad. Arriba de veinte nudos sin embargo, la
bomba principal de alimentación y las cargas de los turboventiladores de tiro forzado se incrementan muy
rápidamente (el consumo de vapor de los turboventiladores de tiro forzado a treinta nudos pueden ser cinco
veces más que a veinte nudos) de manera que el requerimiento total de vapor se incrementa al cuadrado de
su velocidad. Sin embargo, considerado sobre una base de consumo de vapor por milla, las relaciones
anteriores deben de ser divididas entre la velocidad.
8.10. TURBOGENERADOR DE SERVICIO DEL BUQUE
La planta eléctrica ha sido reservada para tratarse como una sola ya que es la planta auxiliar independiente
más grande en el buque. Un portaaviones moderno, por ejemplo, tiene una planta eléctrica a sesenta ciclos y
de doce mil quinientos kilo watts de capacidad, lo suficientemente grande para una ciudad de buen tamaño, y
un motogenerador de emergencia accionado por un motor diésel de sesenta ciclos y de tres mil kilo watts de
capacidad. La salida del generador estándar para buques de combate actuales es de sesenta ciclos, tres
fases, corriente alterna de cuatrocientos cincuenta voltios.
8.11. TURBINA.
Las turbinas generadoras de servicio del buque están diseñadas para operar con condensador, esto es, ellas
descargan a un vacío mantenido por el mismo. Éste es una unidad separada para cada turbina generadora,
abastecida con su propio sistema de agua de circulación, incluyendo bombas de circulación auxiliar, para
enfriar, y con sus propios eyectores de aire de dos etapas para mantener el vacío.
La turbina es normalmente del tipo de acción de cinco a siete etapas, con una de velocidad compuesta en la
primera etapa. Está diseñada para usar vapor recalentado a la presión y temperatura de salida del
recalentador de la caldera. En instalaciones con vapor auxiliar saturado de sesenta libras sobre pulgada
cuadrada, puede también operarse cuando los recalentadores entran en servicio. Este descarga a un vacío de
veintiséis pulgadas de Mercurio mantenido en su condensador. El condensado formado en el condensador
auxiliar es bombeado por una electrobomba, a través de los condensadores de entrada y salida de los
eyectores agrega al condensado principal justo antes de entrar al tanque.
El vapor es admitido a la turbina a través de una válvula de cuello (completamente abierta o completamente
cerrada) y un juego de válvulas de control de toberas las cuales son operadas automáticamente. Las válvulas
de control de toberas están montadas sobre una barra elevadora. La barra, por movimiento vertical, abre las
válvulas secuencialmente para las diferentes toberas. El movimiento de la barra elevadora es controlado por
un mecanismo regulador de velocidad. En un generador de corriente alterna, es importante obtener una
velocidad constante para mantener la frecuencia del generador. La eficiencia del equipo eléctrico diseñado
para una frecuencia dada normalmente cae rápidamente con una anomalía de esta frecuencia y, da por
resultado fallas eléctricas. El mecanismo de control es analizado a continuación.
Sección transversal de una turbina de generador típica. Ésta es rápidamente identificable como una turbina de
acción por la presencia de los diafragmas inter etapas, orificios igualadores en las ruedas de las paletas, y el
espacio amplio de la puntas de las ruedas de las paletas. Muchas características comunes a las turbinas de
propulsión serán notadas. Las empaquetaduras de laberinto en cada extremo del eje; el anillo sellador de
aceite; y el cojinete de empuje, son ejemplos. Ésta turbina gira a once mil novecientos veintiuno ERRE PE
EME. Está conectada a un engrane de doble reducción. El engrane reduce la velocidad a mil ochocientas
ERRE PE EME en el eje del generador. La turbina cuenta con su propio sistema de lubricación, incluyendo
una bomba y un intercambiador de calor para el lubricante. Un intercambiador de aire para enfriar el aire
circulante a través de las bobinas del generador es proporcionado junto con el condensador auxiliar.
8.12. SISTEMA DE CONTROL.
Un sistema de control integral es proporcionado para la turbina del generador. Además del control de
velocidad constante, el sistema proporciona las siguientes características de seguridad:
a. Dispositivo por sobrevelocidad, el cual “para” la turbina en caso de falla del mecanismo de control de
velocidad.
b. Disparo por contrapresión, el cual cierra la válvula de cuello si se desarrolla una excesiva contrapresión
debido a una falla del agua de circulación, o por cualquier otra razón.
c. Disparo por baja presión de aceite, el cual cierra la válvula de cuello en este caso.
Considere primero el conjunto de la válvula de cuello. La válvula de cuello esta así montada de manera que la
presión de aceite la mantiene en posición abierta. Girando el volante acciona el engranaje cónico AAA, el cual
está estriado en la parte inferior del vástago de la válvula, y esto ocasiona que el vástago inferior gire. El
montaje estriado (no mostrado) permite al vástago moverse libremente hacia arriba o hacia abajo dentro del
diámetro interior del engrane AAA, el cual está fijo, pero ocasiona que cualquier rotación del engranaje sea
transmitido al vástago. Suponga que el volante es girado contrario a las manecillas del reloj, el vástago de la
válvula forza hacia abajo al pistón de control, a la posición mostrada. Cuando la presión de aceite es admitida
en el lado inferior del pistón, éste forza al pistón y los vástagos inferior y superior de la válvula hacia arriba,
abriendo la válvula en el extremo superior del vástago de la válvula de cuello. Cuando la presión de aceite
falla, el resorte forza hacia abajo el pistón de control de estrangulación, provocando que la válvula cierre. Al
principio, la presión inicial es aumentada por una bomba manual. Después que la turbina está trabajando esta
acciona la bomba de engrane la cual suministra el aceite para la lubricación y el control. Este montaje
constituye la protección por baja presión de aceite previamente mencionada. Cuando la válvula de cuello es
completamente cerrada, el pistón de control de estrangulación es levantado con respecto al vástago inferior
de la válvula hasta que su reborde, B, descanse contra la superficie, CEE, permaneciendo cerrada la válvula
de cuello. En esta posición el vástago de la válvula está cerrado en la posición inferior y no puede ser movido
para abrir la válvula.
Todos estos funcionan para abrir la válvula DEE, la cual libera aceite de presión de regreso al colector y
ocasiona que la válvula de cuello se cierre. La válvula DEE es mantenida en su asiento por la varilla de
presión EFE, actuando sobre la palanca de reposición, y siendo mantenida así mismo en posición sobre la
pequeña distensión El primero de estos dispositivos de protección es el de disparo de contrapresión. Cuando
la presión de descarga de la turbina aumenta a un valor de aproximadamente cinco libras sobre pulgada
cuadrada, este llega a ser lo suficientemente grande para comprimir los fuelles y resortes mostrados. Esto gira
la palanca ACHE, presionando su extremo derecho EEE, y soltando la palanca acodillada, liberando la varilla
de presión abriendo la válvula DEE. Esto libera la presión de aceite y detiene la turbina como se describió
arriba. La segunda característica de protección es el disparo de emergencia manual, realizado por la acción
manual de la palanca en el punto E, actuando la palanca acodada, la varilla de presión y la válvula DEE como
se describió arriba.
El tercer dispositivo de protección consiste de la actuación de éste mismo sistema debido a la sobrevelocidad.
Un botador es mantenido en el eje del generador ESE, por mecanismo y cargado a resorte. El resorte está
diseñado para mantener el botador en su situación hasta que el generador alcanza aproximadamente el 10
por ciento por arriba del régimen de velocidad. La fuerza centrífuga sobre el botador llega entonces a ser lo
suficientemente grande para expulsar el botador causando que éste golpee el brazo inferior de la palanca
acodillada GEE, mientras éste gira, provocando que la palanca acodada gire a través de su pivote para liberar
la varilla de presión e iniciar la cadena de eventos previamente descritos lo cual da por resultado que la
válvula de cuello se cierre. La palanca de reposición se encarga de recolocar a la varilla de empuje después
de que el disparo ha sido operado debido a cualquier de las tres causas antes mencionadas.
Los contrapesos de éste son sensibles a la velocidad del eje del mismo el cual está engranado al eje de
reducción de la turbina. Ellos se mueven hacia afuera cuando la velocidad se incrementa, o hacia adentro
cuando la velocidad disminuye, trasladando el movimiento a un movimiento vertical al tope. El tope está
conectado a la válvula piloto por el resorte y el conjunto de la varilla pivote. La varilla pivote sentada sobre el
tope es ligeramente excéntrica causando que el extremo inferior de la varilla pivote gire cuando el tope gire
con los contrapesos. Éste movimiento constante elimina la fricción estática, e incrementa la sensibilidad del
mecanismo.
La válvula piloto se fija dentro de un manguito, conteniendo las lumbreras de aceite las cuales corresponden a
los drenes sobre la válvula piloto. El manguito o camisa es libre de moverse verticalmente dentro del
alojamiento. El manguito está unido a la palanca del regulador, como se muestra. La válvula piloto, su
manguito, y el alojamiento toman juntos control del flujo de aceite para el funcionamiento del cilindro.
Asuma que la velocidad de la turbina disminuye, los contrapesos del regulador se mueven, forzando el tope
hacia arriba, este movimiento es transmitido a la válvula piloto, como éste asciende con respecto al manguito,
el drene superior descubre la porta o lumbrera AAA, admitiendo aceite a alta presión alrededor de la parte
central de la válvula y fuera de la línea de descarga al cilindro de operación. El cilindro de operación es
forzado hacia arriba, levantando la palanca de la válvula de control, el cual levanta la barra elevadora y sus
válvulas de control de toberas, para admitir más vapor a la turbina. El mismo movimiento de la palanca de la
válvula de control levanta el extremo derecho de la palanca del regulador, la cual sube el búje de la válvula
piloto para cerrar la lumbrera o porta AAA y detener el flujo de aceite. Esta característica de “seguimiento”
actúa para prevenir variaciones bruscas, y proporciona una acción de control preciso que previene la
oscilación.
Si la turbina excede su velocidad, la misma secuencia se realiza pero a la inversa. Ahora bajando la válvula
piloto se descubre la porta o lumbrera BEE, en el manguito permitiendo que la presión de aceite debajo del
cilindro de operación se derrame al cárter. El resorte del cilindro de operación forza al pistón hacia abajo,
bajando la palanca de la válvula de control y cerrando algunas de las válvulas de control de toberas para
disminuir el flujo de vapor. Simultáneamente la palanca del regulador baja, moviendo el búje de la válvula
piloto hacia abajo para detener la descarga de aceite.
El dispositivo de sincronización es un motor pequeño, controlado desde el tablero de distribución. A través de
un tren de engranes este dispositivo mueve el eje CEE hacia arriba o hacia abajo. El eje CEE lleva el punto
pivote de la palanca del regulador, y así su movimiento es transmitido al manguito. Esto permite un ajuste
preciso de la velocidad por el operador del tablero de control para:
1. Graduar la velocidad a la cual el sistema regulador mantendrá al generador.
2. Variar la velocidad ligeramente para traer al generador en sincronía cuando exista paralelismo.
El volante DEE permite el control de estas características localmente.
