Turbomáquinas. Una introducción.

TURBOMÁQUINAS. UNA INTRODUCCIÓN.

Autor: Miguel Ángel Muñoz.
Primera versión: Marzo, 2017.
Tiempo de lectura estimado: 20 minutos.

El contenido de esta entrada del blog está dedicado a una introducción a las Turbomáquinas empleadas en propulsión de vehículos y/o en instalaciones tales como centrales eléctricas y va destinado a internautas que sientan curiosidad por la Ingeniería Mecánica, aunque contado de manera sencilla, alejada de la rigurosidad de los numerosos textos que tratan este tema de forma especializada. A los expertos en el tema, advertirles que no van a encontrar nada novedoso aquí. Este documento es de divulgación y es “free”, siempre y cuando menciones mi autoría. Para mayor información sobre Propiedad intelectual e industrial y derechos de autor de este blog, en general y de esta entrada, en particular, puedes consultar el Aviso legal de este blog.

Empieza por mirar la siguiente imagen de un avión del fabricante Airbus, modelo A320, ampliamente empleado en la aviación comercial. Verás que, al igual que un coche o que una moto, un avión necesita de un (dos, en este caso) motor(es) colocado(s) bajo ala del avión.

Imagen original:
centraljetcharter.com/images/airbus-a320-private-jet-charter.jpg

El avión obtiene la propulsión mediante una fuerza de empuje proporcionada por el grupo motopropulsor, constituido en este caso, por dos motores denominados Turbofán (Turbofan), Turboventilador, Turbosoplante o Turborreactor de doble flujo. El Turbofán es un tipo particular de turbomáquina. Si quieres profundizar un poco más en la Técnica Aeronáutica y en los grupos motopropulsores empleados en aviación puedes consultar esta entrada del blog y las referencias ahí citadas. En la entrada que estás leyendo del blog se presenta una introducción a las Turbomáquinas, de las que el Turbofán es un tipo particular, como se ha señalado previamente.

Una turbomáquina es una máquina, cuyo elemento principal es un rueda con álabes, rueda que se denomina rodete o rotor, a través del cual pasa un fluido (un gas, agua en forma líquida, vapor de agua, etc.) de forma continua, dándose una transferencia de energía entre la máquina y el fluido, la cual puede ser en sentido máquina-fluido o en sentido fluido-máquina.

En cualquier caso, como es probable que hayas oído o leído alguna vez, la energía no se crea ni se destruye; únicamente se transforma. En el caso de que la transferencia de energía en la turbomáquina sea en sentido máquina-fluido, es decir, que la energía mecánica del rodete se aplique al fluido nos encontramos con “turbomáquinas consumidoras de energía mecánica”, como las bombas, los compresores, los turbocompresores, los sopladores o los ventiladores. Y en el caso en el que el fluido entrega energía a la máquina, nos encontramos ante “turbomáquinas generadoras de energía mecánica”. La mayoría de estas últimas turbomáquinas son llamadas “turbinas”; dentro de este género también entran las turbinas eólicas y los molinos de viento. Posteriormente la energía mecánica se puede transformar en otro tipo de energía, como la energía eléctrica, lo cual suele suceder en centrales eléctricas.

Una segunda clasificación de las turbomáquinas divide a éstas en turbomáquinas térmicas y turbomáquinas hidráulicas. En una turbomáquina térmica el cambio en la densidad del fluido es significativo dentro de la máquina, como sucede en  las turbinas de gas o las turbinas de vapor de las centrales termoeléctricas y/o en el caso de los turbocompresores. El proyecto de las turbomáquinas térmicas ha de hacerse teniendo en cuenta las leyes de la Termodinámica. En cambio, en una turbomáquina hidráulica, como las turbinas hidráulicas de las centrales hidroeléctricas o como las bombas hidráulicas, el cambio en la densidad del fluido no es significativo. El proyecto de las turbomáquinas hidráulicas ha de hacerse teniendo en cuenta las leyes de la Mecánica de Fluidos.

Tanto las turbinas de gas como las turbinas de vapor son turbomáquinas generadoras de energía mecánica y, además, térmicas. La principal diferencia conceptual entre ambas es que en las turbinas de vapor, su fluido de trabajo (agua, comúnmente) puede sufrir un cambio de fase durante su paso por el rotor, mientras que en las turbinas de gas no se espera un cambio de fase del fluido durante su paso por el rotor.


Locomotora antigua, accionada por una máquina de vapor.
Imagen original:
comofuncionaque.com/como-funciona-la-maquina-de-vapor/

Desde un punto de vista histórico, la turbina de vapor encuentra su origen en la máquina de vapor, la cual fue empleada intensivamente durante la Revolución Industrial, para mover máquinas y aparatos tan diversos como locomotoras de ferrocarril o barcos, entre otros. En la actualidad, las modernas máquinas de vapor  son y se pueden considerar turbomáquinas y reciben la denominación genérica de turbinas de vapor. Se usan en la generación de energía eléctrica en centrales eléctricas y también en propulsión marina, aunque en las últimas décadas las turbinas de gas y los motores Diésel han desplazado bastante a las turbinas de vapor en el mundo naval, quizás con las excepciones a) de barcos transportadores de Gas Natural Licuado, b) con la de algunos barcos auxiliares y c) con la de submarinos y barcos nucleares, donde se siguen usando las turbinas de vapor.


Turbina de gas. Órganos internos.
Imagen original:
fierasdelaingenieria.com/turbinas-de-gas-la-busqueda-permanente-de-la-eficiencia/

Por su parte, las turbinas de gas se emplean actualmente ampliamente como motores de propulsión en aeronaves, en forma de Turborreactor (Turbojet), aunque los turborreactores puros han dado paso en las últimas décadas a los Turbofán (Turbofan), los Turbohélice y los Turboeje, estos últimos de aplicación en helicópteros. También se emplean actualmente con gran profusión en la propulsión de muchos buques navales y en la producción de energía eléctrica en centrales termoeléctricas, especialmente en las de ciclo combinado.

Una turbina hidráulica es una turbomáquina generadora de energía mecánica, que aprovecha la energía de un fluido que pasa a través del rodete de ella para producir un movimiento de rotación que mueve normalmente un generador eléctrico que transforma la energía mecánica en energía eléctrica en centrales hidroeléctricas.


Turbina hidráulica tipo Pelto. Rodete.
Imagen original:
spanish.hydropower-turbine.com/photo/pt10973288-high_water_head_two_nozzles_pelton_hydro_turbine_for_hydropower_project.jpg

Por último, reseñar las turbinas eólicas, en las que la energía mecánica del eje del rotor puede ser aprovechada para diversas aplicaciones como moler, en el caso de los molinos de viento, o para la generación de energía eléctrica, en los aerogeneradores de los parques eólicos.


Aerogenerador (Turbina eólica).
Imagen original:
wp.cienciaycemento.com/9-razones-para-ver-un-aerogenerador-parado/

En cuanto a las turbomáquinas consumidoras de energía mecánica, las más usuales son las bombas hidráulicas, los compresores, los turbocompresores y, quizás, en menor medida, los sopladores y los ventiladores.

Una bomba hidráulica es una turbomáquina consumidora de energía mecánica que transforma este tipo de energía, con la que es accionada, en energía del fluido incompresible que mueve. El fluido incompresible puede ser líquido, como el agua, o una mezcla de sólidos y líquidos, como puede ser el hormigón antes de fraguar. Al incrementar la energía del fluido, se aumenta o bien su presión, o bien su velocidad o bien su altura.

Un compresor es una turbomáquina térmica consumidora de energía mecánica que se diseña para aumentar la presión y desplazar fluidos compresibles, tales como gases y vapores.


Turbocompresor para motor de coche.
Imagen original:
diariomotor.com/2015/09/18/compresor-turbo-ventajas-inconvenientes/

Un turbocompresor es un sistema que emplea una turbina para accionar un compresor para comprimir gases. Este tipo de sistemas se suele utilizar en motores de combustión interna alternativos, especialmente en los motores Diésel, para aumentar la potencia máxima sin variar la cilindrada.

Para saber más. Referencias bibliográficas.

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