Turbomáquina
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Turbomáquina. Es una máquina cuyo elemento principal es un rodete (rotor) a través del cual pasa un fluido de forma continua, cambiando éste su cantidad de movimiento por acción de la máquina, dándose así una transferencia de energía entre la máquina y el fluido, la cual puede ser en sentido máquina-fluido o fluido-máquina.
Sumario
Características
Las turbomáquinas se diferencian de otras máquinas térmicas en el hecho de que funcionan de manera continua y no discreta, como es el caso de los compresores de émbolo, las bombas de vapor a pistón o los populares motores de pistón, las cuales son máquinas de desplazamiento volumétrico o positivo. A semejanza de otras máquinas térmicas, son transformadoras de energía, lo cual es una característica fundamental, entregándole energía mecánica al fluido de trabajo convirtiéndola en presión (energía potencial), energía térmica o energía cinética del fluido, pudiendo ser este intercambio en sentido contrario.
Bajo muchas formas las turbomáquinas están presentes en nuestra vida cotidiana, desde los sencillos ventiladores y las bombas centrífugas que son de uso común, hasta las grandes turbinas hidráulicas de las centrales hidroeléctricas y las turbinas de vapor o a gas de las centrales térmicas son turbomáquinas. Es importante destacar que las turbomáquinas son fundamentales en la conversión electromecánica de energía, es decir, la generación eléctrica. Es este hecho el cual convierte a las turbomáquinas en un objeto de gran importancia dentro de la ingeniería mecánica, la cual dedica mucho a su estudio y proyección, e igualmente, pero en menor medida, la ingeniería civil.
Partes de una turbomáquina
Una turbomáquina consta de diversas partes y accesorios dependiendo de su tipo, aplicación y diseño. Por ejemplo un ventilador puede ser una turbomáquina que sólo conste de un árbol, motor, rotor y soporte, mientras que un compresor centrífugo o una bomba semi-axial puede tener muchas partes que incluso no comparta con las demás turbomáquinas existentes. Sin embargo, la mayoría de las turbomáquinas comparten el hecho de tener partes estáticas y rotativas; y dentro de estos conjuntos puede haber diversos elementos los cuales muchas turbomáquinas comparten y una enumeración competente puede ser la siguiente:
Partes rotativas
- Rodete
El Rodete es el corazón de toda turbomáquina y el lugar donde aviene el intercambio energético con el fluido. Se suelen emplear los índices 1 y 2 para establecer la entrada y salida del rodete. 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). Los tipos de rotores pueden ser axiales, radiales, mixtos o tangenciales, para su fácil identificación y distinción se hace uso de representaciones por proyección específicas.
- Eje o árbol
Tiene la doble función de trasmitir potencia (desde o hacia el rotor) y ser el soporte sobre el que yace el rotor. En el caso de las turbomáquinas motoras éste siempre está conectado a alguna clase de motor, como puede ser un motor eléctrico, o incluso una turbina como es común en los turborreactores, muchas veces entre el árbol y el motor que mueve a la turbomáquina se encuentra algún sistema de transmisión mecánica, como puede ser un embrague o una caja reductora. En el caso de las turbomáquinas generadoras, es frecuente encontrar un generador eléctrico al otro extremo del árbol, o incluso hay árboles largos que soportan al rotor en el medio y en un extremo se encuentra una turbomáquina generadora y al otro un generador.
- Partes estáticas
Al conjunto de todas las partes estáticas de la turbomáquina (y en otras máquinas también) se le suele denominar estator.
- Entradas y Salidas
Estas partes son comunes en todas las turbomáquinas, pero pueden variar de forma y geometría entre todas. Existen turbomáquinas generadoras de doble admisión, es decir, que tienen dos entradas diferenciadas y una salida única de fluido. Estas partes pueden constar de una brida en el caso de la mayoría de las bombas y compresores, pero en las turbinas hidráulicas grandes, sólo son grandes tuberías y la salida muchas veces tiene forma de difusor. En los molinos de viento, por ejemplo, la entrada y la salida sólo pueden ser superficies imaginarias antes y después del rotor. El distribuidor, es el órgano cuya misión es conducir el fluido desde la sección de entrada hacia el rodete. Se suelen utilizar los índices 0 y 1 para desisgnar las magnitudes a la entrada del distribuidor y a la salida (entrada en el rodete). Por otro lado, el difusor es elemento que se encuentra a la salida del rodete y que disminuye la velocidad del fluido, además acondicionar hidraúlicamente el fluido para conducción.
- Álabes directores
También llamados palas directoras, son álabes fijos al estator, por los cuales pasa el fluido de trabajo antes o después de pasar al rotor a realizar el intercambio energético. Muchas turbomáquinas carecen de ellos, pero en aquellas donde si figuran éstos son de vital importancia. En las turbomáquinas motoras se encargan de dirigir el fluido en un cierto ángulo, así como acelerarlo para optimizar el funcionamiento de la máquina. En las turbomáquinas generadoras se encuentran a la salida del rotor. Los álabes directores también pueden llegar a funcionar como reguladores de flujo, abriéndose o cerrándose a manera de válvula para regular el caudal que entra a la máquina.
- Cojinetes, rodamientos o rolineras
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.
- Sellos
Son dispositivos que impiden la salida del fluido de la turbomáquina. Cumplen una función crítica principalmente en los acoplamientos móviles como en los rodamientos. Pueden variar de tipos y ubicación dentro una turbomáquina a otra.
Rendimiento de las Turbomáquinas
En las turbomáquinas el concepto de rendimiento es de suma importacia. El rendimiento o eficiencia, puede verse como la razón existente entre los beneficios que pueden obtenerse idealmente de una máquina y aquellos que son obtenidos en la realidad. En otras palabras el rendimiento total de una turbomáquina se define como la razón entre la potencia restituida y la potencia absorbida.
En las turbomáquinas motoras la potencia absorbida es toda aquella entregada por el fluido de trabajo en su paso por la máquina, y la potencia restituida es aquella que se encuentra en el eje del rotor. 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.
El discurso sobre el rendimiento utiliza ampliamente los conceptos de la termodinámica. La primera ley de la termodinámica indica que la potencia restituida jamás podrá ser mayor a la potencia absorbida, ya que esto implicaría la creación espontánea de energía. La segunda ley de la termodinámica nos dice que la potencia absorbida siempre será mayor que la potencia restituida, ya que la energía se suministra al fluido en un número finito de etapas (es un proceso irreversible). De esta forma se puede afirmar que:
ηtotal < 1
De esta manera, por ejemplo, para que un compresor axial entregue una cantidad Eentregada (energía restituida por la máquina) de energía a un fluido, este deberá absorber una cantidad de energía Eabsorbida definitivamente mayor a la entregada efectivamente al fluido de trabajo. La diferencia entre la energía absorbida y la energía restituida se conoce con el nombre de pérdidas:
Eabsorbida − Eentregada = Eperdida
Se puede escribir la misma relación para la potencia derivando respecto al tiempo:
Nabsorbida − Nentregada = Nperdida
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. Así la potencia perdida resulta en el calentamiento del fluido, vencer las fuerzas viscosas dentro del fluido, etc.. Para simplificar el estudio de la eficiencia o rendimiento se clasifican diversos tipos de rendimiento, cada uno asociado a un fenómeno distinto de pérdida de energía.
Estudio Adimensional de las Turbomáquinas
Las ecuaciones que predicen el movimiento del fluido son de tal complejidad que aún no se conoce una solución general, sino soluciones particulares que requieran grandes simplificaciones, que sin embargo aportan mucha información sobre el verdadero comportamiento del fluido. A su vez, la construcción comercial de turbomáquinas ya había empezado antes de que éstas ecuaciones se conocieran, o fueran difundidas en la comunidad científica e ingenierística, por lo cual los constructores de turbomáquinas se vieron obligados en buscar un método práctico de modelar estas máquinas. Un método obvio es la construcción de modelos, y la correlación entre modelos está determinada por la teoría de la similitud y el análisis dimensional.
La naturaleza experimental de la construcción de máquinas lleva a la construcción de modelos, luego la correlación entre los modelos y su equivalente real está determinado por los modelos teóricos ya mencionados, especialmente a través del Teorema de Pi-Buckingham.
Más aún, Baljie encontró que si dos máquinas símiles tienen el mismo rendimiento, entonces cada tipo de turbomáquina tiene un lugar "adimensional" de máximo rendimiento.
Bibliografía
- MATAIX, Claudio. Turbomáquinas Hidráulicas. Editorial ICAI.
- DIXON, S. L.. Fluid Mechanics and Thermodynamics of Turbomachinery. Editorial Butterworth Heinemann.
- SCIUBBA, Enrico. Lezioni di Turbomacchine. Editorial Editrice Universitaria di Roma.
