Entendiendo cómo funcionan los álabes de las turbinas de vapor y el maravilloso mundo de las patentes
- Fernando E. Romero, P.E.
- 14 dic 2024
- 6 Min. de lectura
En el último artículo, vimos cómo utilizamos el agua y el vapor para generar energía en el ciclo Rankine. Hoy nos adentramos en la propia turbina de vapor para descubrir exactamente cómo transformamos la energía almacenada en el vapor en energía mecánica.
A medida que profundizamos en la teoría en la publicación de hoy, también veremos un poco de historia y algunas de las referencias o aplicaciones prácticas actuales de esta teoría en la industria.
La teoría
Hay dos principios principales para el diseño de turbinas de vapor, basados en la forma en que se diseñan sus alabes para convertir la energía del vapor en energía rotacional mecánica.
A estos principios los conocemos como:
Principio de impulso
La energía se extrae cambiando la dirección del chorro de vapor de alta velocidad a medida que viaja a través de los alabes.
En primer lugar, el vapor se acelera a través de una boquilla (estacionaria).
El chorro rápido de vapor que sale de la boquilla golpea los alabes (o palas) de la turbina.
En una etapa de impulso la presión cae y esto acelera el vapor solo en la boquilla estacionaria.
A medida que el vapor viaja a través de la sección de alabes, cambia de dirección y “rebota” en en ellas, transfiriendo impulso al rotor.
Principio de reacción
La energía se extrae a través de un cambio en la dirección del vapor y de la aceleración del vapor a medida que viaja a través de los alabes.
La presión del vapor cae a través de las boquillas y los alabes giratorios, cambiando de dirección y acelerándose, creando una fuerza de reacción que impulsa o empuja a los alabes.
En una etapa de reacción, el vapor se acelera tanto en la boquilla estacionaria como en los alabes giratorios.
Puede resultar un poco difícil de visualizar, pero, afortunadamente para nosotros, ¡podemos confiar en “la técnica anterior” !
La técnica anterior es un término que se utiliza en el mundo de las patentes. Representa cualquier prueba o ilustración pública que ya esté accesible al momento de presentar una solicitud de patente.
Esto significa que si solicitamos una patente, la oficina de patentes verificará otras patentes y publicaciones para asegurarse de que nadie más haya tenido esa idea antes que nosotros.
Un ingeniero sueco llamado Karl Gustaf Patrik de Laval tuvo algunas ideas bastante innovadoras en el siglo XIX sobre cómo diseñar turbinas de vapor, ¡y obtuvo varias patentes! que hasta hoy en día tiene un valor no solo histórico pero también técnico por como explican los conceptos de diseños de las turbinas.
Turbina de impulso de Delaval
Patente 522.066 26 de junio de 1894
La patente contiene una ilustración impresionante de la famosa turbina de impulso de De Laval. Se dice que este diseño podía alcanzar de 20.000 a 30.000 RPM acelerando el vapor a través de la boquilla y dirigiéndolo hacia los alabes.
Para que podamos apreciar un poco mejor el diseño, creé un modelo 3D de la turbina De Laval.
En color gris se puede ver la estructura básica del rotor, que cuenta con un único disco con alabes o palas o aspas.
En verde, modelé una boquilla como la de la patente.
En la siguiente figura, corté una sección del modelo para que puedan apreciar el perfil interno de la boquilla y el perfil aerodinámico del alabe.
El vapor a alta presión entrará en la boquilla y, a medida que se desplace a través de ella, se acelerará. Cuando el vapor se expanda, su presión disminuirá, pero a cambio ganará velocidad.
Cuando el vapor ya viaja muy rápido, sale de la boquilla y golpea las los alabes.
El vapor rebota en la superficie del alabe y cambia de dirección. Es aquí donde el impulso del vapor se transfiere al alabe y por consiguiente al rotor.
El diseño del perfil aerodinámico es muy simétrico, a veces llamado cubeta.
La desviación del vapor es lo que genera la transferencia de energía del momento del vapor hacia el álabe, lo que genera una fuerza que hace girar el rotor de la turbina.
¡Esto es lo que llamamos una turbina de IMPULSO!
Turbina de reacción de Delaval
Patente: 285.584 25 de septiembre de 1883
La turbina en esta patente es la rueda en forma de “S” que he rellenado de amarillo (abajo), o como De Laval la describe en la patente, “la rueda de la turbina consta de dos tubos curvados”.
(Nota: No se dejen engañar por el gran cuerpo con apariencia de disco en la parte izquierda del dispositivo, esto es básicamente una caja de engranes).
De Laval también escribe: “el fluido impulsor pasa por los tubos y hace girar la turbina por reacción”.
¡Este dispositivo básicamente se parece mucho a este aspersor de césped!
¿Se preguntarán por qué se mueve el aspersor?
Esto se debe a que la fuerza del agua que sale de la boquilla crea una fuerza de reacción en la dirección opuesta, lo que hace que gire.
Hay tantos principios fundamentales de física y movimiento en un dispositivo tan simple que esto me deja atónito.
Entonces, en una turbina de reacción, los alabes rotativos están diseñadas para actuar como toberas, lo que significa que el vapor continuará expandiéndose y acelerándose a medida que viaja a través de los alabes del rotor.
En esencia, en una turbina de reacción, el vapor se expande y se acelera a medida que viaja a través de los alabes (boquillas) y los alabes giratorios.
La aceleración del vapor, y el hecho de que el vapor tenga masa, genera una fuerza que sale del alabe. Y como la tercera ley de movimiento de Newton de que “por cada acción hay una reacción igual y opuesta” es cierta, esa fuerza del vapor que sale del alabe genera una reacción que lo empuja y hace girar el rotor.
En las turbinas modernas, las palas de la turbina de reacción no se parecen a aspersores de césped; tienen perfiles aerodinámicos que guían el vapor a través de la turbina.
A continuación muestro una comparación de ambos diseños:
Hemos aprendido sobre los dos tipos fundamentales de diseños de turbinas según sus diseños de perfil aerodinámico o principios de conversión de energía.
Algunas aplicaciones son más adecuadas para un diseño que para otro; por ejemplo, las turbinas de vapor para generación de energía utilizan principalmente álabes de reacción debido a la mayor eficiencia o mejor idoneidad de los álabes para extraer la mayor cantidad de energía posible del vapor.
También debemos tener en cuenta que esta tecnología y este equipo existen desde hace mucho tiempo, cerca de 150 años. Los perfiles aerodinámicos simétricos de tipo impulso eran mucho más fáciles de fabricar utilizando las técnicas de mecanizado disponibles a finales del siglo XIX.
Los perfiles aerodinámicos de reacción pueden resultar un poco más complejos en su fabricación y requerir un esfuerzo de diseño más cuidadoso y técnicas de fabricación más modernas.
En definitiva, las turbinas actuales utilizan ambos principios. Encontraremos perfiles aerodinámicos que parecen cubos de impulso en el extremo de alta presión de una turbina, donde la presión y la velocidad del vapor son las más altas; y a medida que avanza por la turbina hacia el extremo de baja presión, donde ya ha habido mucha caída de presión y expansión del vapor y los alabes son más largos, y veremos más perfiles aerodinámicos de reacción.
Habría mucho más que decir y las explicaciones podrían ser mucho más profundas.
Para escribir el post de hoy, conté con la ayuda de uno de los mejores ingenieros con los que he tenido el privilegio de trabajar: el excepcional Kirill Grebinnyk.
Resulta que Kirill es un ingeniero aerodinámico y un gran amigo. Le robé una hora de su tiempo y dibujamos garabatos por toda su pizarra mientras discutíamos sobre el diseño de álabes de turbinas de vapor, triángulos de velocidad y áreas de garganta.
(Nota: trabajen con personas más inteligentes, así siempre podrán aprender algo nuevo siempre).
Espero que hoy obtengan una comprensión básica de estos dos tipos de diseños de turbinas.
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