Turbina de vapor

En una turbina de vapor, el vapor se expande a través de hileras de álabes fijos y móviles: su presión se convierte en velocidad, y esa velocidad hace girar un eje. Charles Parsons acopló una a una dinamo en 1884; sus sucesoras mueven hoy los generadores que producen la mayor parte de la electricidad del mundo.

Qué es

Una turbina de vapor es una rueda movida por vapor, sin pistón ni manivela. El vapor atraviesa hileras de álabes dispuestos alrededor de un eje y sale de la máquina a una presión mucho más baja; la energía que cede por el camino hace girar el eje. El movimiento es uniforme y rápido, justo lo que necesita un generador eléctrico.

Las centrales de carbón y las nucleares hierven agua para moverlas. Las centrales de gas de ciclo combinado producen vapor con el escape caliente de una turbina de gas, y las termosolares y la mayoría de las geotérmicas hacen lo mismo con el calor del sol o del subsuelo. Entre todas hacen de la turbina de vapor la fuente de la mayor parte de la electricidad del mundo.

Cómo funciona

El vapor entrega su energía al expandirse. En una tobera, un conducto que se estrecha, su presión baja y se acelera. En el punto más estrecho, la garganta, puede alcanzar la velocidad del sonido; para ir más rápido necesita un conducto que se ensanche tras la garganta, la forma abocinada de las toberas de De Laval. En cada etapa, una corona de álabes fijos en la carcasa hace de juego de toberas y lanza el vapor contra una corona de álabes móviles, curvos, montados en el rotor: desvían el chorro y ese cambio de dirección los empuja.

La rueda de acción de De Laval: toberas que se ensanchan lanzan sus chorros a través de una sola corona de álabes.

En una etapa de acción casi toda la caída de presión ocurre en las toberas fijas, y los álabes móviles solo reciben el chorro. En una etapa de reacción, la que eligió Parsons, también se estrechan los canales entre los álabes móviles: el vapor sigue expandiéndose al cruzarlos y los empuja hacia atrás al salir. En una etapa Parsons la expansión se reparte más o menos a partes iguales entre la hilera fija y la móvil.

Si una gran caída de presión se libera por una sola tobera, el chorro sale a más de 1000 metros por segundo, y los álabes rinden mejor a cerca de la mitad de esa velocidad. Una rueda única tendría que girar peligrosamente rápido y necesitaría engranajes reductores. Parsons dividió la caída en muchos escalones pequeños, de modo que el eje gira a un ritmo que una dinamo puede aprovechar.

Al bajar la presión, el vapor ocupa más espacio, así que los álabes se alargan hacia el escape: en la última hilera de las turbinas construidas para Hinkley Point C, en Inglaterra, miden 1,9 metros.

El vapor que sale al aire libre deja de expandirse a la presión atmosférica. Un condensador, una cámara llena de tubos enfriados con agua de río, de mar o de torre de refrigeración, vuelve líquido el vapor de escape y mantiene un vacío casi completo a la salida de la turbina, de modo que el vapor sigue expandiéndose y trabajando dentro de ella antes de condensarse. Las primeras turbinas de condensación de Parsons, en Cambridge en 1892, igualaron a las mejores máquinas de pistón de su potencia.

Este circuito es el ciclo de Rankine: una bomba impulsa el agua a la caldera, que la convierte en vapor; el vapor se expande en la turbina y el condensador lo devuelve al estado líquido para la bomba. Bombear un líquido cuesta poco frente a lo que entrega el vapor, por eso el ciclo deja trabajo útil. La bomba procede de la bomba de pistón, la caldera y el condensador de la máquina de vapor; un frigorífico recorre un circuito parecido en sentido inverso.

En una red de 50 hercios, un generador de dos polos montado en el eje gira a 3000 revoluciones por minuto, y a 3600 en una de 60 hercios. Después, los transformadores elevan la tensión para las líneas.

Cómo construirla

Una turbina de central se alimenta de una caldera, que es un recipiente a presión: no construya ninguna. Este modelo funciona con aire. Necesita un molde de tarta desechable de aluminio, dos corchos, una aguja de tejer, pajitas, una caja de cartón, pegamento y un secador de pelo en modo frío o una bomba de bicicleta.

Cortar una rueda de álabes. Recortar un disco de 10 cm. Hacer de 12 a 16 cortes desde el borde, parando a 2 cm del centro, y girar todas las paletas en el mismo sentido unos 30 grados.

Montarla. Pegar la rueda a un corcho ensartado en la aguja, que gira dentro de dos trozos de pajita fijados de lado a lado de la caja.

Comparar un tubo y una tobera. Con la misma bomba, a la misma distancia y con el mismo ángulo, soplar sobre las paletas por un tubo ancho y luego por una pajita recortada sostenida en diagonal, y observar cuál hace girar la rueda más deprisa.

Añadir una etapa. Pegar una segunda rueda, con las paletas giradas en el mismo sentido, a un segundo corcho en la misma aguja, 3 cm detrás de la primera. Entre ambas, fijar a la caja un anillo de cartón con paletas giradas en sentido contrario y un agujero central tan ancho que no toque ni la aguja ni las ruedas. Soplar a lo largo de la aguja a través de la rueda delantera, luego quitar el anillo y comparar: las paletas fijas deberían devolver hacia la segunda rueda el aire que sale de la primera.

Medir la tensión. Acoplar a la aguja, con un trozo de tubo, un pequeño motor de corriente continua de modelismo y conectar a sus bornes un multímetro en voltios de continua. Si la rueda consigue mover el motor, la lectura sube con la velocidad.

No pruebe el modelo con vapor. Al hervir, el agua da más de mil veces su volumen en vapor, y un recipiente caliente cerrado u obstruido aumenta su presión hasta reventar. Las calderas de verdad siguen diseños certificados, llevan válvulas de seguridad y las revisa con regularidad una persona competente; una caldera casera no ofrece ninguna de esas garantías.

Seguridad. El vapor quema en una fracción de segundo, incluso en el pico de un hervidor, donde es invisible: mantener manos y caras lejos. No cerrar, tapar ni obstruir nunca un recipiente caliente. Una rueda de aluminio girando tiene bordes cortantes y puede soltar una paleta: usar gafas y recogerse el pelo. Utilizar solo un pequeño motor de modelismo y un multímetro, nunca la red eléctrica, y alejar el secador del agua.

Historia y evolución

La eolípila de Herón: dos chorros de vapor hacen girar la esfera sobre sus pivotes.

En el siglo I de nuestra era, Herón de Alejandría describió la eolípila, una bola hueca que giraba impulsada por el vapor de unas boquillas acodadas: el primer aparato conocido que convierte el vapor en rotación. En 1629 Giovanni Branca publicó el dibujo de una máquina en la que un chorro de vapor soplaba sobre una rueda de paletas; probablemente nunca se construyó. En Suecia, Gustaf de Laval patentó en 1883 una pequeña rueda de reacción para sus desnatadoras y, en 1889, una turbina de acción de una sola etapa con reductor.

En 1884 Charles Parsons, socio de Clarke, Chapman en Gateshead, acopló directamente a una dinamo una turbina de muchas etapas de reacción. Daba 7,5 kilovatios a 18 000 revoluciones por minuto, y en 1888 unos 200 grupos parecidos iluminaban barcos. En 1890 la central de Forth Banks, en Newcastle, fue la primera en emplear turbinas.

El Turbinia a toda máquina: tres turbinas en tres ejes movían nueve hélices.

Para demostrar lo que valía la turbina en un barco, Parsons construyó el Turbinia, una lancha de 31 metros que alcanzó 34,5 nudos. El 26 de junio de 1897 lo hizo pasar sin invitación ante las filas de buques de guerra de la revista naval de Spithead. En 1905 un comité del Almirantazgo recomendó turbinas para todas las clases de buques de guerra.

En Estados Unidos, Charles Curtis vendió sus derechos a General Electric en 1896. Su grupo de 5000 kilovatios de 1903, entonces el más potente del mundo, medía 7,6 metros de alto, frente a 18 de una máquina de pistón de potencia parecida. Los grupos llegaron a 660 megavatios en Drax en los años setenta, y cada una de las dos turbinas construidas para Hinkley Point C tiene una potencia nominal de 1770 megavatios.