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La turbomáquina , en ingeniería mecánica , describe las máquinas que transfieren energía entre un rotor y un fluido , incluidas tanto las turbinas como los compresores . Mientras que una turbina transfiere energía de un fluido a un rotor, un compresor transfiere energía de un rotor a un fluido. [1] [2] Es una aplicación importante de la mecánica de fluidos . [3]
Estos dos tipos de máquinas se rigen por las mismas relaciones básicas, incluidas la segunda ley del movimiento de Newton y la ecuación de bomba y turbina de Euler para fluidos compresibles . Las bombas centrífugas también son turbomáquinas que transfieren energía de un rotor a un fluido, generalmente un líquido, mientras que las turbinas y los compresores suelen funcionar con un gas. [1]
Las primeras turbomáquinas se pueden identificar como ruedas hidráulicas , que aparecieron entre los siglos III y I a. C. en la región mediterránea. Se utilizaron durante todo el período medieval e iniciaron la primera Revolución Industrial . Cuando se empezó a utilizar la energía del vapor , como la primera fuente de energía impulsada por la combustión de un combustible en lugar de fuentes de energía naturales renovables, esto fue como motores alternativos . Las turbinas primitivas y los diseños conceptuales para ellas, como el fumadero , aparecieron de forma intermitente, pero las temperaturas y presiones requeridas para una turbina prácticamente eficiente excedían la tecnología de fabricación de la época. La primera patente para turbinas de gas fue presentada en 1791 por John Barber . Las turbinas de agua hidroeléctricas prácticas y las turbinas de vapor no aparecieron hasta la década de 1880. Las turbinas de gas aparecieron en la década de 1930.
La primera turbina de tipo impulso fue creada por Carl Gustaf de Laval en 1883. A esta le siguió de cerca la primera turbina de tipo reacción práctica en 1884, construida por Charles Parsons . El primer diseño de Parsons fue una unidad de flujo axial de múltiples etapas, que George Westinghouse adquirió y comenzó a fabricar en 1895, mientras que General Electric adquirió los diseños de de Laval en 1897. Desde entonces, el desarrollo se ha disparado desde el diseño inicial de Parsons, que producía 0,746 kW, hasta las modernas turbinas de vapor nucleares que producen más de 1500 MW. Además, las turbinas de vapor representaron aproximadamente el 45% de la energía eléctrica generada en los Estados Unidos en 2021. [4] Luego, las primeras turbinas de gas industriales en funcionamiento se utilizaron a fines de la década de 1890 para alimentar el alumbrado público (Meher-Homji, 2000).
En general, los dos tipos de turbomáquinas que se encuentran en la práctica son las turbomáquinas abiertas y cerradas. Las máquinas abiertas, como las hélices , los molinos de viento y los ventiladores sin cubierta, actúan sobre una cantidad infinita de fluido, mientras que las máquinas cerradas funcionan sobre una cantidad finita de fluido a medida que pasa a través de una carcasa o envoltura. [2]
Las turbomáquinas también se clasifican según el tipo de flujo. Cuando el flujo es paralelo al eje de rotación , se denominan máquinas de flujo axial, y cuando el flujo es perpendicular al eje de rotación, se denominan máquinas de flujo radial (o centrífugo). También existe una tercera categoría, denominada máquinas de flujo mixto, en la que están presentes tanto los componentes de velocidad de flujo radial como axial. [2]
Las turbomáquinas pueden clasificarse además en dos categorías adicionales: las que absorben energía para aumentar la presión del fluido , es decir, bombas , ventiladores y compresores , y las que producen energía, como las turbinas, expandiendo el flujo a presiones más bajas. De particular interés son las aplicaciones que contienen bombas, ventiladores, compresores y turbinas. Estos componentes son esenciales en casi todos los sistemas de equipos mecánicos, como los ciclos de potencia y refrigeración . [2] [5]
Cualquier dispositivo que extrae o imparte energía a una corriente de fluido en movimiento continuo puede llamarse turbomáquina. En términos más generales, una turbomáquina es una máquina generadora de energía o calor que emplea la acción dinámica de un elemento giratorio, el rotor; la acción del rotor cambia el nivel de energía del fluido que fluye continuamente a través de la máquina. Las turbinas, los compresores y los ventiladores son miembros de esta familia de máquinas. [6]
A diferencia de las máquinas de desplazamiento positivo (en particular las del tipo alternativo, que son máquinas de baja velocidad en función de consideraciones de eficiencia mecánica y volumétrica), la mayoría de las turbomáquinas funcionan a velocidades comparativamente más altas sin ningún problema mecánico y con una eficiencia volumétrica cercana al cien por ciento. [7]
Las turbomáquinas se pueden clasificar según la dirección de conversión de energía: [1] [2]
Las turbomáquinas se pueden clasificar según la naturaleza de la trayectoria del flujo a través del paso del rotor: [8]
Turbomáquinas de flujo axial : cuando la trayectoria del flujo pasante es totalmente o principalmente paralela al eje de rotación, el dispositivo se denomina turbomáquina de flujo axial. [9] El componente radial de la velocidad del fluido es despreciable. Como no hay cambios en la dirección del fluido, se pueden utilizar varias etapas axiales para aumentar la potencia de salida.
Una turbina Kaplan es un ejemplo de una turbina de flujo axial.
En la figura:
Turbomáquinas de flujo radial - Cuando el recorrido del flujo pasa total o principalmente por un plano perpendicular al eje de rotación, el dispositivo se denomina turbomáquina de flujo radial. [9] Por lo tanto, el cambio de radio entre la entrada y la salida es finito. Una turbomáquina radial puede ser de flujo hacia adentro o hacia afuera según el propósito que se necesite cumplir. El tipo de flujo hacia afuera aumenta el nivel de energía del fluido y viceversa. Debido al cambio continuo de dirección, generalmente no se utilizan varias etapas radiales.
Una bomba centrífuga es un ejemplo de una turbomáquina de flujo radial.
Turbomáquinas de flujo mixto : cuando hay flujo axial y radial y ninguno es despreciable, el dispositivo se denomina turbomáquina de flujo mixto. [9] Combina componentes de flujo y fuerza de tipo radial y axial.
Una turbina Francis es un ejemplo de una turbina de flujo mixto.
Las turbomáquinas finalmente se pueden clasificar según la magnitud relativa de los cambios de presión que tienen lugar a lo largo de una etapa: [2] [5]
Las turbomáquinas de impulso funcionan acelerando y cambiando la dirección del flujo del fluido a través de una boquilla estacionaria (la pala del estator) sobre la pala del rotor. La boquilla sirve para transformar la presión entrante en velocidad; la entalpía del fluido disminuye a medida que aumenta la velocidad. La caída de presión y entalpía sobre las palas del rotor es mínima. La velocidad disminuirá sobre el rotor. [1] [9]
La segunda ley de Newton describe la transferencia de energía. Las turbomáquinas de impulso no requieren una carcasa de presión alrededor del rotor, ya que el chorro de fluido se crea en la tobera antes de llegar a los álabes del rotor.
Una rueda Pelton es un diseño de impulso.
Las turbomáquinas de reacción funcionan reaccionando al flujo de fluido a través de álabes de rotor y estator con forma de perfil aerodinámico . La velocidad del fluido a través de los conjuntos de álabes aumenta ligeramente (como en una tobera) a medida que pasa del rotor al estator y viceversa. La velocidad del fluido luego disminuye nuevamente una vez que ha pasado entre los espacios. La presión y la entalpía disminuyen constantemente a través de los conjuntos de álabes. [1]
La tercera ley de Newton describe la transferencia de energía en las turbinas de reacción. Se necesita una cámara de presión para contener el fluido de trabajo. En el caso de los fluidos de trabajo compresibles, se suelen utilizar varias etapas de turbina para aprovechar el gas en expansión de manera eficiente.
La mayoría de las turbomáquinas utilizan una combinación de impulso y reacción en su diseño, a menudo con partes de impulso y reacción en el mismo álabes.
Las siguientes relaciones adimensionales se utilizan a menudo para caracterizar máquinas de fluidos. Permiten comparar máquinas de flujo con diferentes dimensiones y condiciones de contorno.
Hidroeléctrica : La turbomáquina hidroeléctrica utiliza la energía potencial almacenada en el agua para fluir sobre un impulsor abierto para hacer girar un generador que crea electricidad.
Turbinas de vapor : las turbinas de vapor que se utilizan para generar energía se presentan en muchas variantes diferentes. El principio general es que se hace pasar vapor a alta presión por unas aspas unidas a un eje, que hace girar un generador. A medida que el vapor viaja a través de la turbina, pasa por aspas más pequeñas que hacen que el eje gire más rápido, lo que genera más electricidad.
Turbinas de gas : Las turbinas de gas funcionan de forma muy similar a las turbinas de vapor. Se hace pasar aire a través de una serie de álabes que hacen girar un eje. Luego, el combustible se mezcla con el aire y provoca una reacción de combustión que aumenta la potencia. Esto hace que el eje gire más rápido y genere más electricidad.
Molinos de viento : también conocidos como turbinas eólicas , los molinos de viento están ganando popularidad por su capacidad de utilizar el viento de manera eficiente para generar electricidad. Aunque vienen en muchas formas y tamaños, el más común es el de tres aspas grandes. Las aspas funcionan según el mismo principio que el ala de un avión . A medida que el viento pasa sobre las aspas, crea un área de baja y alta presión, lo que hace que la aspa se mueva, haciendo girar un eje y creando electricidad. Es más parecido a una turbina de vapor, pero funciona con un suministro infinito de viento.
Turbina de vapor : las turbinas de vapor en aplicaciones marinas son muy similares a las utilizadas en la generación de energía. Las pocas diferencias entre ellas son el tamaño y la potencia de salida. Las turbinas de vapor en los barcos son mucho más pequeñas porque no necesitan suministrar energía a una ciudad entera. No son muy comunes debido a su alto costo inicial, el alto consumo específico de combustible y la costosa maquinaria que las acompaña.
Turbinas de gas : las turbinas de gas en aplicaciones marinas son cada vez más populares debido a su menor tamaño, mayor eficiencia y capacidad para quemar combustibles más limpios. Funcionan igual que las turbinas de gas para la generación de energía, pero también son mucho más pequeñas y requieren más maquinaria para su propulsión. Son más populares en los buques de guerra, ya que pueden detenerse por completo o alcanzar su máxima potencia en minutos (Kayadelen, 2013) y son mucho más pequeñas para una cantidad determinada de energía.
Chorro de agua: en esencia, un motor a chorro de agua es como un turborreactor de avión, con la diferencia de que el fluido de funcionamiento es agua en lugar de aire. [10] Los chorros de agua son más adecuados para embarcaciones rápidas y, por lo tanto, los militares los utilizan a menudo. La propulsión a chorro de agua tiene muchas ventajas sobre otras formas de propulsión marina, como los motores de popa , los motores fueraborda , las hélices con eje y los motores de superficie. [11]
Turbocompresores : los turbocompresores son una de las turbomáquinas más populares. Se utilizan principalmente para añadir potencia a los motores añadiendo más aire. Combinan ambas formas de turbomáquinas. Los gases de escape del motor hacen girar una rueda de álabes, como una turbina. Esa rueda hace girar a su vez otra rueda de álabes, que succiona y comprime el aire exterior en el motor.
Sobrealimentadores : los sobrealimentadores también se utilizan para aumentar la potencia del motor, pero funcionan únicamente según el principio de compresión. Utilizan la potencia mecánica del motor para hacer girar un tornillo o álabes, de alguna manera para aspirar y comprimir el aire en el motor.
Bombas : las bombas son otra turbomáquina muy popular. Aunque existen muchos tipos diferentes de bombas, todas hacen lo mismo. Las bombas se utilizan para mover fluidos utilizando algún tipo de energía mecánica, desde motores eléctricos hasta motores diésel de tamaño completo. Las bombas tienen miles de usos y son la verdadera base de la turbomáquina (Škorpík, 2017).
Compresores de aire : los compresores de aire son otra turbomáquina muy popular. Funcionan según el principio de compresión, aspirando y comprimiendo aire en un tanque de retención. Los compresores de aire son una de las turbomáquinas más básicas.
Ventiladores : Los ventiladores son el tipo más general de turbomáquinas.
Turbinas de gas : Las turbinas de gas aeroespaciales, más comúnmente conocidas como motores a reacción, son las turbinas de gas más comunes.
Turbobombas : los motores de cohetes requieren presiones de propulsión y caudales de masa muy elevados, lo que significa que sus bombas requieren mucha potencia. Una de las soluciones más comunes a este problema es utilizar una turbobomba que extrae energía de un flujo de fluido energético. La fuente de este flujo de fluido energético podría ser una o una combinación de muchas cosas, incluida la descomposición del peróxido de hidrógeno, la combustión de una parte de los propulsores o incluso el calentamiento de los propulsores criogénicos que pasan a través de camisas de refrigerante en las paredes de la cámara de combustión.
Existen muchos tipos de turbomáquinas de flujo continuo dinámico. A continuación se muestra una lista parcial de estos tipos. Lo que es notable acerca de estas turbomáquinas es que los mismos fundamentos se aplican a todas. Sin duda, existen diferencias significativas entre estas máquinas y entre los tipos de análisis que se aplican típicamente a casos específicos. Esto no niega el hecho de que están unificadas por la misma física subyacente de dinámica de fluidos, dinámica de gases, aerodinámica, hidrodinámica y termodinámica.
