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Han
transcurrido varios años desde que James Watt lanzó
la máquina de vapor al campo en que ha reinado de un modo
absoluto como manantial de fuerza mecánica por mucho tiempo
hasta que a lo largo del siglo XX fuera reemplazado progresivamente
por otros tipos de fuerza motriz. En los últimos años
han aparecido otros motores que parecen disputarle esta supremacía;
pero a pesar de los diferentes tipos de máquinas, la movida
por vapor continúa todavía figurando en primera fila.
Aunque es a James Watt a quien se
debe que esta máquina ocupe su posición prominente,
sin embargo, el vapor era utilizado como manantial de fuerza muchos
años antes de la época de aquél.
La idea de la turbina de vapor apareció por primera vez hacia
el año 200, antes de Jesucristo, mucho antes de que nadie
pensase en la posibilidad de utilizar el vapor en una máquina
alternativa. En aquel tiempo , un griego llamado Heron produjo un
movimiento giratorio por medio del vapor. Construyó una máquina
consistente en una esfera hueca montada por los extremos de un diámetro
sobre dos pivotes, uno de los cuales era hueco y servía de
tubo conductor de vapor procedente de una marmita colocada debajo.
La esfera estaba provista en su parte superior y en el fondo de
dos tubos encorvados en opuestas direcciones, a través de
los cuales escapaba el vapor. La diferencia de presión producida
por el escape del vapor en direcciones contrarias al extremo de
un eje y en ángulo recto con éste hacía girar
a la esfera sobre sus pivotes. Una diferencia de presión
o desequilibrio de esta clase se llama "reacción".
Esta, por tanto, fue la primera turbina de reacción.
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Turbina de
vapor de Herón
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Turbina de
vapor de Branca
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Modelo de la
máquina de Newcomen , que inspiró los inventos
de James Watt .
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En 1630 se descubrió
en Francia un procedimiento de elevar agua a la parte superior
de una casa por medio del vapor, y un sistema semejante fue
utilizado en Inglaterra alrededor de 1650. Al principio del
siglo siguiente, dos o tres ingenios ingleses idearon medios
de realizar trabajo con el empleo del vapor. El más
notable de éstos fue la máquina de Newcomen
para mover bombas de achicar agua. Esta máquina, que
utilizaba el vapor de una caldera separada, era muy deficiente
y daba mucho qué hacer, y una vez se envió una
al laboratorio de la Universidad de Glasgow para ser reparada.
Esta reparación fue hecha por James Watt, que estaba
empleado allí como constructor de instrumentos; hizo
algunas pequeñas reformas y consiguió que la
máquina marchase satisfactoriamente. Era, sin embargo,
incompleta por lo menos, y difícilmente se la podía
considerar más que como un juguete. Después
de largos y detenidos estudios reconstruyó prácticamente
la máquina, añadiendo nuevas partes, un condensador
, una bomba de aire y una camisa de vapor para mantener el
cilindro caliente. Las ideas principales de su máquina,
con sus principios fundamentales, se utilizan todavía
hoy en todas las máquinas de vapor.
La máquina perfeccionada
por Watt aparece en una ocasión especialmente oportuna
para Inglaterra, pues muchas de sus minas resultaban inexplotables
a causa del agua, que no podía ser extraída
satisfactoriamente. Las bombas movidas por esta máquina
vencieron la dificultad, y el inventor tuvo que dedicarse
al abastecimiento de máquinas para bombas en las minas.
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Es interesante observar que casi
el único trabajo ejecutado por el vapor durante muchos años
fue la extracción de agua por bombas. Antes de la época
de Watt, la fuerza del vapor se utilizó en esto sólo
indirectamente. El espacio ocupado por el vapor es más de
mil seiscientas veces mayor que el ocupado por la misma cantidad
de agua; de modo que si el vapor está dentro de un compartimiento
bien cerrado y se le condensa en agua, la disminución de
volumen engendrará un vacío, es decir, hará
que la presión descienda por debajo de la atmósfera,
que es un poco menos de 15 libras por pulgada cuadrada. El vacío
en uno de estos compartimentos, de forma cilíndrica, conteniendo
un pistón y con uno de sus extremos abiertos a la atmósfera,
se utilizó entonces para levantar un peso por medio del pistón.
Cuando se permitía al peso descender otra vez, ejecutaba
el trabajo de extraer el agua con la bomba.
La primera reforma de Watt fue cerrar el extremo abierto del cilindro,
de modo que el vapor pudiese ser admitido por ambos lados del pistón.
Este resultaba entonces movido por el impulso del vapor al entrar
en el cilindro, y la máquina se hizo de doble efecto, por
admitir el vapor primero por un lado y después por el otro.
Pronto se dio cuenta de que esta manera de funcionar costaba mucho,
por emplear una gran cantidad de vapor, entonces descubrió
otra propiedad de este trabajador fluido; vio que si se interrumpía
la entrada del vapor después de haber impulsado al pistón
una pequeña parte de su carrera, el que estaba en el cilindro
se dilataría y completaría el trabajo. La pequeña
pérdida de energía por esta anticipada supresión
en el suministro de vapor quedaba más que compensada por
la economía de éste, y, por tanto, de carbón.
Otra de sus ideas fue la aplicación
del regulador, ya en uso en los molinos de viento y en las ruedas
hidráulicas, a la máquina de vapor. Este aparato permite
regular la velocidad de la máquina automáticamente.
Cuando se considera la diversidad de nuevas ideas y mejoras que
Watt aplicó a la máquina de vapor es cuando su grandeza
se aprecia completamente Su brillante ingenio vio inmediatamente
que su máquina podía aplicarse a muchas cosas más
que a extraer agua con bombas, e ideó el sistema de biela
y manivela, hoy en uso, para transformar el movimiento alternativo
en giratorio.
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El Clermont
(1807) de Robert Fulton
Robert Fulton
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Unos cincuenta años
después de haber aparecido esta máquina perfeccionada,
Robert Fulton aplicó el motor de vapor a la navegación,
y su pequeño barco realizó su primer viaje en
el río Sena, en Francia. Poco después una de
las máquinas de Watt fue utilizada por Fulton para
mover el Clermont, de Nueva York a Albany (200 kilómetros),
en treinta y seis horas. El crecimiento en el empleo de la
máquina de vapor desde 1769 hasta la época actual
ha sido uno de los grandes factores de civilización.
Sin ella, es difícil decir en qué estado se
encontraría el mundo, y ciertamente que no es agradable
imaginárselo.
El agua es una sustancia tan
común, que pocos de nosotros se paran a reflexionar
lo maravillosa que es. Si la calentamos suficientemente, hierve
y se convierte en un vapor que tiene útiles y sorprendentes
propiedades. Si la metemos en un receptáculo cerrado
y la aplicamos calor, hará presión contra las
paredes que la contienen y tratará de escapar. Cuanto
más la calentemos más aumentará sus esfuerzos
para salir. A este esfuerzo le llamamos "presión",
y su intensidad o fuerza puede ser medida con un pequeño
instrumento llamado "manómetro" , en el cual
una aguja móvil sobre una esfera indica el número
de kilogramos de presión sobre un centímetro
cuadrado que está ejerciendo el vapor. En la época
de Watt la presión utilizada era pequeña, prácticamente
la de la atmósfera; pero como los materiales de construcción
han mejorado en resistencia; la presión ha aumentado
hasta el punto que hoy la de 15 kilogramos por centímetro
cuadrado es muy común, habiéndose llegado ya
en algunos casos a superar los 39 y 40 kilogramos por centímetro
cuadrado.
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Además del principio de reacción, el llamado de "
impulsión " es de gran importancia, en lo que se refiere
a la turbina de vapor. La primera turbina de impulsión fue
construida por un italiano llamado Branca, alrededor de 1629, y
consistía en una rueda en cuya llanta llevaba unas alas o
paletas, contra las cuales se dirigía un chorro de vapor
que obligaba así a girar a la rueda.
A intervalos, durante los 250 años
siguientes, se hicieron varios intentos de construir una máquina
que utilizase con éxito uno u otro o ambos principios, el
de impulsión y el de reacción; pero sin resultado
alguno. La primera turbina de vapor con éxito comercial permanente
procede del Dr. Gustav De Laval , natural de Suecia, en 1882. Esta
era una turbina de simple impulsión. Dos años más
tarde, en Inglaterra, sir Charles Parsons dio a conocer el famoso
tipo de maquina llamado de reacción que lleva su nombre.
Para todo el mundo es familiar la
antigua rueda hidráulica con paletas planas, que gira lentamente
a impulsos de la corriente de agua procedente de la presa, proporcionando
fuerza para serrar troncos, moler trigo, etc. Este es acaso el tipo
más sencillo de turbina hidráulica muy tosca e ineficaz,
naturalmente.
Si nos detenernos algún día
a orillas de uno de los muchos ríos que corren velozmente
al pie de nuestras altas montañas, particularmente en el
Occidente veremos probablemente un edificio con un gran tubo procedente
de arriba por la colina abajo e introduciéndose en un costado
de aquél. Dentro del edificio encontraremos que el tubo termina
a modo de boquilla de manga de incendios, colocada de tal modo en
el interior de una caja, que el chorro de agua que arroja choca
con toda su fuerza contra unas paletas especiales, de forma de taza,
dispuestas en la llanta de una rueda, haciendo así que ésta
gire rápidamente. Esta es una turbina hidráulica del
tipo de impulsión, vulgarmente conocida con el nombre de
rueda "Pelton".
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La marca de
fábrica de la casa de De Laval , mostrando el
princípio en que fundó el inventor de la turbina
de valor su funcionamiento .
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Puede demostrarse fácilmente
que si se toma vapor de una caldera de alta presión
y se le permite dilatarse libremente bajo una presión
de 0,07 kilogramos por centímetro cuadrado desarrollará,
si nada se opone , una velocidad de 914 a 1.220 metros por
segundo, o de 56 a 82 kilómetros por minuto, dependiendo
de su condición inicial.
Esta velocidad es tan tremenda,
que no puede utilizarse en una turbina simple, pues el hacer
girar la rueda de una turbina tan rápida como representa
la mitad de aquella velocidad expone a que ésta salga
lanzada fuera de la máquina. Las turbinas de este tipo
se emplean, por lo tanto, con presiones pequeñas, que
dan para el chorro velocidades relativamente bajas también.
La mejor manera de apreciar
lo grande que es la velocidad de un chorro de vapor es compararla
con velocidades desarrolladas por otros procedimientos .La
tabla siguiente compara la velocidad de un chorro de vapor
con otras velocidades:
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|
Metros
por segundo.
|
Kilómetros
por minuto,
|
| Trenes
de vapor |
9 a 30
|
0,48 a 1,92
|
| Vapor a
través de una tubería |
30 a 60
|
1.6 a 3,20
|
|
Agua saliendo de una tobera
a una
presión de 3o metros de desnivel
|
24
|
1,44
|
Dardo lanzado
desde un aeroplano
a la altura de una milla (fuerte
rozamiento del aire) en el momento de chocar con la Tierra |
176,75
|
10,60
|
| Ondas sonoras
a través de la atmósfera |
335
|
19,20 - 20,80
|
Velocidad
ecuatorial de la Tierra
debida a la rotación diurna |
463,30
|
37,68
|
| Bala de
escopeta de caza |
762
|
48
|
| Bala de
fusil alemán Mannlicher |
|
|
| Velocidad
máxima |
1.143
|
72
|
| Velocidad
ordinaria |
838,20
|
76,40
|
| Bala de
fusil canadiense (Ross) |
|
|
| Velocidad
máxima. |
1.280
|
76,40
|
| Velocidad
ordinaria |
960
|
|
Vapor saturado
con expansión a
través de la tobera desde 17 kilogramos a 0,07 |
1.280
|
76.40
|
| Vapor recalentado
desde 42,18 kilogramos y 329° C a 0,07 kilogramos |
1.435
|
85,44
|
|
Kilómetros
por segundo.
|
Kilómetros
por minuto
|
| Cuerpo
cayendo en el espacio sobre la luna a causa de la atración
lunar. |
2,7
|
163.20
|
| Probable
velocidad máxima de las moléculas a 0° centígrado. |
|
|
| Bióxido
de carbono |
2,50
|
150
|
| Oxígeno
|
2,8
|
168
|
| Nitrógeno |
3,2
|
192
|
| Agua |
4
|
240
|
| Hidrógeno |
11,8
|
708
|
| Cuerpo
cayendo sobre el espacio sobre la Tierra a causa de la atracción
terrestre |
11,6
|
690
|
| Velocidad
media de la Tierra alrededor del Sol. |
30,4
|
1.824
|
|
Ahora bien; la turbina de vapor
del tipo de impulsión en su forma más simple
es, en muchos aspectos, semejante a esta rueda Pelton. Claro
que el vapor es un fluido elástico, y se dilatará
o aumentará de volumen conforme la presión a
que esté sometido sea menor, siendo esta la causa de
que se mueva mucho más a prisa que el agua bajo las
mismas condiciones y requiera diferente forma en las toberas
y en las paletas. La turbina dada a conocer por De Laval en
1882 era de este tipo de simple impulso, y una posterior,
de forma ligeramente modificada, es la que representa la imagen
de este sitio , en el que se indica claramente la manera de
actuar el vapor. Consiste, como se puede ver, en una simple
rueda, en cuyo borde van colocadas un gran número de
paletas o alabes curvos. También se ven claramente
las toberas, que dirigen el vapor de manera adecuada contra
las paletas, y en donde se produce toda la expansión
del vapor.
Es interesante observar la
manera de realizar su trabajo el vapor en esta turbina. Al
entrar en las toberas a la presión existente en la
caldera, el vapor experimenta una disminución en esa
presión y un aumento de volumen, cuyos cambios determinan
un decrecimiento en la energía calorífica primitivamente
almacenada en el vapor. Este decrecimiento en la energía
térmica del vapor conduce a un aumento grande de su
energía de velocidad; así que cuando sale de
la tobera se encuentra a la presión más baja
en el sistema, pero tiene una velocidad muy elevada. La tobera,
pues, viene siendo realmente una máquina para transformar
tanta energía calorífica como sea posible en
velocidad o energía cinética.
El impulso de este vapor moviéndose
rápidamente contra las paletas de la rueda es lo que
produce la fuerza mecánica por la que la turbina es
utilizada. Las paletas de la rueda son de forma tal, que ésta
utiliza toda la energía prácticamente posible
antes que el vapor salga por el lado opuesto a aquel por donde
entra. Como el vapor al salir del tubo está ya a la
presión más baja en el sistema, es evidente
que esta misma baja a presión ( ordinariamente 6 a
6,50 kilogramos por debajo de la presión atmosférica
) existirá a ambos lados de la rueda giratoria. Esto
hace innecesario precaverse del empuje final, como hay que
hacer en otros tipos.
El calor, como ya se ha dicho,
es el manantial de energía en la turbina de vapor,
y aquí se producen chorros con velocidades tan elevadas
como de 65,6 kilómetros por minuto. Es bien claro que
no puede construirse ninguna máquina que tolere una
marcha igual a la mitad de esta velocidad del chorro, aunque
teóricamente sea ésta la adecuada. Así,
con este tipo de máquina arriba descrito, donde hay
únicamente una expansión y una serie de paletas,
la rapidez se hace tan elevada como la construcción
mecánica lo permita, sin peligro.
La rueda de una turbina de
vapor De Laval da unas 30.000 revoluciones por minuto, por
lo cual, si la rueda es de 1,50 metros de diámetro,
produce una velocidad en los extremos de las paletas de la
turbina de unos 237,75 metros por segundo. Como la velocidad
de las paletas viene siendo como la mitad de la del vapor
que las impulsa, esto significa que el chorro, al salir de
las toberas, inmediatamente antes de chocar con las paletas,
debe de ir a una velocidad de 457 metros por segundo.
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