Altura de los álabes de las dos primeras coronas de una turbina de vapor

A Manuel Muñoz Torralbo todos lo conocíamos en la Cátedra de Motores de la ETSII de la Universidad Politécnica de Madrid como "El jefe". Esta entrada del blog va dedicada a su memoria, en agradecimiento por haberme transmitido solo una pequeña parte de las muchas cosas que él sabía sobre el apasionante mundo de las turbomáquinas.

Una de las muchas cosas que me enseñó el jefe es que la altura del álabe en una turbina de vapor suele tener un límite más crítico en el segundo escalonamiento que en el primero. Que en los primeros escalonamientos la altura del álabe es necesariamente pequeña tiene una explicación sencilla, ya que en esas primeras etapas la elevada presión del vapor conlleva una elevada densidad y, por ello, un pequeño volumen específico. En la siguiente ecuación se puede ver que altura H y densidad rho son inversamente proporcionales (m es el caudal másico, Dm el diámetro medio y ca la velocidad axial):

La altura del álabe es un parámetro importante en todos los escalonamientos -no solo en los primeros-, ya que de ella depende, en buena medida, su coste (y, por tanto, el coste total de la turbina). El hecho de que la altura sea pequeña en los primeros escalonamientos presenta el problema de que en ellos las pérdidas terminales (las que tienen lugar por la fricción en el anillo de paso) son altas en proporción al trabajo mecánico realizado, lo que hace bajar notablemente el rendimiento de esas coronas en comparación con el de los escalonamientos centrales (en los que la expansión ya ha hecho bajar la densidad lo suficiente para tener valores aceptables en la altura).

Que la altura sea más crítica en el segundo escalonamiento que en el primero no es tan obvio y es lo que voy a procurar explicar. Para ello me voy a apoyar en unas cuantas fotos de la turbina de vapor que acabamos de recibir en el laboratorio. ¡Lo que habría disfrutado el jefe discutiendo con nosotros sus detalles!

Aquí tenéis el rotor en una vista cenital:

En la siguiente foto he sacado dos recortes ampliados de como son las secciones de paso de las dos primeras coronas de rotor.

En el primer escalonamiento hay una primera expansión, que tiene lugar en el estator (ya que el rotor es de presión constante). Teniendo eso en cuenta, uno esperaría que la densidad hubiese bajado lo suficiente para que la segunda corona tuviese una altura sensiblemente mayor que la primera. Pero, como se ve en los recortes, eso no es así y el incremento de altura -si lo hay- no es nada grande. ¿Cómo es eso posible? La explicación reside en que la admisión del vapor a la primera corona ocupa un sector angular menor que los 360° del perímetro. Eso permite tener en esa primera corona la misma sección de paso efectiva con una altura de los álabes algo mayor que si hubiese admisión perimetral. En la siguiente foto se aprecia como asoma en la parte izquierda del plano de unión entre las dos semicarcasas una de las toberas del estator mientras que en la parte derecha no hay estator porque en esa zona no hay admisión.

En la segunda corona, que ya es de admisión total, la altura del álabe ya tiene que ser la que marca la ecuación de arriba, razón por la cual no se aprecian grandes diferencias con la de la primera corona.