Turbomáquina
Una turbomáquina es un mecanismo que establece un intercambio energético con una corriente fluida mediante la acción combinada de elementos fijos y elementos giratorios (el origen del vocablo turbo es latino y significa remolino).
Si bien la presencia del elemento giratorio es imprescindible para que la transferencia de energía sea posible entre máquina y fluido, los elementos fijos pueden no estar presentes en algunos tipos de turbomáquina como en los ventiladores.
Esta nomenclatura será utilizada a través de todo este artículo y es norma DIN 1331.
Está constituido por un disco que funciona como soporte a palas, también llamadas álabes, o cucharas en el caso de las turbinas Pelton.
La geometría con la cual se realizan los álabes es fundamental para permitir el intercambio energético con el fluido; sobre éstas reposa parte importante del rendimiento global de toda la turbomáquina y el tipo de cambio energético generado (si la energía será transferida por cambio de presión o velocidad).
El distribuidor, es el órgano cuya misión es conducir el fluido desde la sección de entrada hacia el rodete.
Por otro lado, el difusor es un elemento que se encuentra a la salida del rodete y que disminuye la velocidad del fluido, además de acondicionar hidráulicamente el fluido para su conducción.
También llamados palas directoras, son álabes fijos al estátor, por los cuales pasa el fluido de trabajo antes o después de pasar al rotor a realizar el intercambio energético.
Son elementos de máquina que permiten el movimiento del eje mientras lo mantienen solidario a la máquina, pueden variar de tipos y tamaños entre todas las turbomáquinas.
Son dispositivos que impiden la salida del fluido de la turbomáquina.
Pueden variar de tipos y ubicación dentro una turbomáquina a otra.
Las fuerzas que actúan sobre el volumen de control son debidas a las presiones en la entrada y en la salida del rotor, si éstas se consideran iguales en toda la salida e iguales en toda la entrada, entonces las fuerzas lineales quedan anuladas por cuestión de simetría.
Como se supone que la situación es de flujo estable, ningún término depende del tiempo, por lo cual el primer sumando del lado derecho de la ecuación se hace cero.
ya que todas las líneas de corriente son iguales; esto permite evaluar estas integrales así:
Esta integral representa el producto de la densidad del fluido por el área en la que evaluamos la integral por la componente de la velocidad normal a esta área, por lo tanto si
es el flujo másico que circula a través del rotor se puede escribir:
Para determinar la potencia suministrada por la máquina al fluido (recuérdese que estamos hablando de turbomáquinas motoras), multiplicamos a ambos lados por el radio del rotor
Para el caso de turbomáquinas motoras, en las cuales el fluido del trabajo le cede energía a la máquina éstas ecuaciones siguen siendo válidas, pero el signo de la potencia será negativo.
De esta ecuación fundamental se desprenden muchas interpretaciones del fenómeno de intercambio energético que se desarrolla en el rotor, el cual hemos evidenciado estar determinado por la cinemática del fluido en el rodete.
De ahora en adelante, en este parágrafo nos referiremos a turbomáquinas generadoras y dejamos al lector la extrapolación de los conceptos a las turbomáquinas motoras.
Luego, si aplicamos el teorema del coseno al triángulo de velocidades obtendremos la siguiente expresión.
Los otros dos términos restantes reciben el nombre de componente estático, y para encontrar su significado se necesita recurrir a un balance entre la energía del fluido y el trabajo entregado por el rotor: En el cambio de energía del fluido no aparece la energía potencial gravitatoria: efectivamente, los cambios de cota en el rodete son ínfimos en comparación con los demás cambios energéticos, por lo cual este término se desprecia.
Además, esta ecuación es independiente del tipo de fluido que pasa por la turbomáquina, si este fuese incompresible el cambio entálpico sería igual al cambio de presión únicamente.
De hecho, casi todas las turbomáquinas generadoras radiales son centrífugas y todas las turbomáquinas motoras radiales son centrípetas, así la velocidad periférica de entrada y salida se minimiza correspondientemente.
La magnitud física presión (fuerza por unidad de área) no tiene un significado energético directo, en cambio esta está íntimamente ligada a la entalpía, la cual si tiene un grandísimo significado energético.
Esta teoría resulta satisfactoria en muchos casos, en los cuales son válidas la suposiciones efectuadas para concluir la ecuación fundamental de las turbomáquinas.
Por otro lado cuando estas suposiciones no son verificadas no es posible obtener una descripción satisfactoria a partir de la teoría euleriana, y en cada caso se deben tomar las medidas competentes para realizar un diseño correcto.
Al contrario ocurre en las turbomáquinas generadoras, ya que la potencia absorbida se encuentra en el eje del rotor, y la energía restituida es aquella que es entregada efectivamente al fluido de trabajo.
La primera ley de la termodinámica nos indica que la potencia restituida jamás podrá ser mayor a la potencia absorbida, ya que esto implicaría la creación espontánea de energía.
La diferencia entre la energía absorbida y la energía restituida se conoce con el nombre de pérdidas: Podemos escribir la misma relación para la potencia derivando respecto al tiempo: La potencia perdida es aquella que resulta invertida en otros fenómenos distintos a aquellos deseados para los fines de la turbomáquina, que es entregar energía útil al fluido.
