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Turbomaquinaria , en ingeniería mecánica , describe máquinas que transfieren energía entre un rotor y un fluido , incluyendo tanto turbinas como 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, incluida 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, normalmente un líquido, mientras que las turbinas y compresores suelen funcionar con un gas. [1]
Las primeras turbomáquinas podrían identificarse como ruedas hidráulicas , que aparecieron entre los siglos III y I a. C. en la región mediterránea. Estos se utilizaron durante toda la época medieval y dieron inicio a la primera Revolución Industrial . Cuando se empezó a utilizar la energía del vapor , como primera fuente de energía impulsada por la combustión de un combustible en lugar de fuentes de energía naturales renovables, se trataba de motores alternativos . Turbinas primitivas y diseños conceptuales para ellas, como el smoke jack , 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 y las turbinas de vapor prácticas no aparecieron hasta la década de 1880. Las turbinas de gas aparecieron en los años 30.
La primera turbina de tipo impulso fue creada por Carl Gustaf de Laval en 1883. A esta le siguió de cerca la primera turbina práctica de tipo reacción 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 a partir del diseño inicial de Parsons, produciendo 0,746 kW. hasta modernas turbinas nucleares de vapor que producen más de 1.500 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 finales 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 las cerradas. Las máquinas abiertas, como hélices , molinos de viento y ventiladores descubiertos , actúan sobre una cantidad infinita de fluido, mientras que las máquinas cerradas funcionan con una cantidad finita de fluido a medida que pasa a través de una carcasa o carcasa. [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 centrífuga). También hay una tercera categoría, llamada máquinas de flujo mixto, donde están presentes componentes de velocidad de flujo tanto radial como axial. [2]
Las turbomáquinas se pueden clasificar además en dos categorías adicionales: aquellas que absorben energía para aumentar la presión del fluido , es decir, bombas , ventiladores y compresores , y aquellas 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 energía y refrigeración . [2] [5]
Cualquier dispositivo que extraiga energía o imparta energía a una corriente de fluido en movimiento continuo puede denominarse turbomáquina. En otras palabras, 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. Turbinas, compresores y ventiladores son todos miembros de esta familia de máquinas. [6]
A diferencia de las máquinas de desplazamiento positivo (particularmente las del tipo alternativo, que son máquinas de baja velocidad basadas en 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 del recorrido del flujo a través del paso del rotor: [8]
Turbomáquinas de flujo axial : cuando el recorrido del flujo es total o principalmente paralelo al eje de rotación, el dispositivo se denomina turbomáquina de flujo axial. [9] La componente radial de la velocidad del fluido es insignificante. Dado que no hay cambios en la dirección del fluido, se pueden usar varias etapas axiales para aumentar la producción de potencia.
Una turbina Kaplan es un ejemplo de turbina de flujo axial.
En la figura:
Turbomáquinas de flujo radial - Cuando el recorrido del flujo discurre total o principalmente en 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 del tipo de flujo hacia adentro o hacia afuera según el propósito que se deba 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 turbomáquina de flujo radial.
Turbomáquinas de flujo mixto : cuando el flujo axial y radial están presentes y ninguno es insignificante, 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 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) hacia la pala del rotor. La boquilla sirve para cambiar 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 ventana de presión alrededor del rotor, ya que la boquilla crea el chorro de fluido antes de llegar a las palas del rotor.
Una rueda Pelton es un diseño de impulso.
Las turbomáquinas de reacción funcionan reaccionando al flujo de fluido a través de las palas del rotor y del estator en forma de perfil aerodinámico . La velocidad del fluido a través de los juegos de palas aumenta ligeramente (como ocurre con una boquilla) a medida que pasa del rotor al estator y viceversa. La velocidad del fluido vuelve a disminuir una vez que ha pasado por el espacio. La presión y la entalpía disminuyen constantemente a través de los juegos de palas. [1]
La tercera ley de Newton describe la transferencia de energía en las turbinas de reacción. Se necesita una ventana de presión para contener el fluido de trabajo. Para los fluidos de trabajo comprimibles, generalmente se utilizan múltiples 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 la misma pala.
Las siguientes relaciones adimensionales se utilizan a menudo para la caracterización de máquinas de fluidos. Permiten comparar máquinas de flujo con diferentes dimensiones y condiciones límite.
Hidroeléctrica : la turbomaquinaria hidroeléctrica utiliza energía potencial almacenada en el agua para fluir sobre un impulsor abierto para hacer girar un generador que genera electricidad.
Turbinas de vapor : las turbinas de vapor utilizadas en la generación de energía vienen en muchas variaciones diferentes. El principio general es que se fuerza vapor a alta presión sobre unas aspas unidas a un eje, que hace girar un generador. A medida que el vapor viaja a través de la turbina, pasa a través de palas más pequeñas, lo que hace que el eje gire más rápido, generando más electricidad.
Turbinas de gas : las turbinas de gas funcionan de forma muy parecida a las turbinas de vapor. El aire ingresa a través de una serie de aspas que hacen girar un eje. Luego el combustible se mezcla con el aire y provoca una reacción de combustión, aumentando la potencia. Esto hace que el eje gire más rápido, generando más electricidad.
Molinos de viento : también conocidos como turbinas eólicas , los molinos de viento están ganando popularidad por su capacidad de utilizar eficientemente el viento para generar electricidad. Aunque los hay de muchas formas y tamaños, el más común es el grande de tres palas. Las palas funcionan según el mismo principio que el ala de un avión . Cuando el viento pasa sobre las palas, crea un área de baja y alta presión, lo que hace que la pala se mueva, hace girar un eje y genera electricidad. Se parece más 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 de generación de energía. Las pocas diferencias entre ellos son el tamaño y la potencia de salida. Las turbinas de vapor de los barcos son mucho más pequeñas porque no necesitan alimentar una ciudad entera. No son muy comunes debido a su alto costo inicial, alto consumo específico de combustible y la costosa maquinaria que lo acompaña.
Turbinas de gas : las turbinas de gas en aplicaciones marinas se están volviendo más populares debido a su tamaño más pequeño, mayor eficiencia y capacidad para quemar combustibles más limpios. Funcionan como turbinas de gas para generar 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 hasta alcanzar su máxima potencia en minutos (Kayadelen, 2013) y son mucho más pequeños para una determinada cantidad de potencia.
Chorro de agua: esencialmente, un propulsor de chorro de agua es como un turborreactor de avión con la diferencia de que el fluido operativo 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 por chorro de agua tiene muchas ventajas sobre otras formas de propulsión marina, como los propulsores de popa , los motores fuera de borda , las hélices con ejes y los propulsores 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. Combina ambas formas de turbomáquinas. Los gases de escape del motor hacen girar una rueda de paletas, muy parecida a una turbina. Luego, esa rueda hace girar otra rueda de palas, succionando y comprimiendo aire exterior hacia el motor.
Supercargadores : los supercargadores también se utilizan para mejorar la potencia del motor, pero solo funcionan según el principio de compresión. Utilizan la potencia mecánica del motor para hacer girar un tornillo o una paleta, alguna forma de aspirar y comprimir el aire dentro del 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 potencia mecánica, desde motores eléctricos hasta motores diésel de tamaño completo. Las bombas tienen miles de usos y son la verdadera base de las turbomáquinas (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 propulsor y caudales másicos muy altos, lo que significa que sus bombas requieren mucha potencia. Una de las soluciones más habituales 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 propulsores criogénicos que pasan a través de camisas de refrigerante en las paredes de la cámara de combustión.
Existen muchos tipos de turbomáquinas dinámicas de flujo continuo. A continuación se muestra una lista parcial de estos tipos. Lo notable de estas turbomáquinas es que se aplican los mismos fundamentos a todas. Ciertamente existen diferencias significativas entre estas máquinas y entre los tipos de análisis que normalmente se aplican a casos específicos. Esto no niega el hecho de que están unificados por la misma física subyacente de dinámica de fluidos, dinámica de gases, aerodinámica, hidrodinámica y termodinámica.
