Fundamentos de las turbomáquinas

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Esta entrada servirá de introducción al tema de las turbomáquinas. Por ahora vamos a definir algunos conceptos y estableceremos los tipos de turbomáquinas existentes.

Las máquinas hidráulicas pertenecen al grupo de máquinas denominadas máquinas de fluido.

  • Las máquinas de fluido son aquellas en las que el fluido proporciona la energía necesaria a la máquina, o bien aquella en la que el fluido es el receptor de energía, al que la máquina restituye la energía mecánica absorbida. En toda máquina de fluido hay un intercambio entre energía de fluido y energía mecánica.
  • Una máquina hidráulica es aquella en la que el fluido que intercambia su energía no varía sensiblemente de densidad en su paso a través de la máquina, por lo cual en el diseño y estudio de la misma se considera la hipótesis de que ρ=cte. Consideramos pues que el fluido es incompresible para el diseño de este tipo de máquinas.

Las turbomáquinas son máquinas de fluidos en las cuales el intercambio de energía es debido a la variación del momento cinético del fluido al pasar por los conductos de un órgano que se mueve con movimiento de rotación, dotado de álabes o paletas, que se denomina rotor. Las paletas, el rotor y el impulsor modifican la entalpía del fluido que se mueve a través de ellos, produciendo trabajo positivo o negativo, dependiendo del efecto requerido en la máquina. Estos cambios de entalpía están estrechamente relacionados con los cambios de presión que ocurren en el fluido. Una corriente continua del fluido a través del rotor con el que intercambia su energía caracteriza a estas máquinas.

Otra definición válida de turbomáquina sería: “Una máquina de fluido cuyo funcionamiento se basa en la ecuación de Euler o ecuación fundamental de las turbomáquinas”

Las primeras máquinas hidráulicas, construidas en gran parte de madera, se construyeron mediante tanteos empíricos y muestran la ignorancia total de la teoría existente en aquellos años. La evolución de las turbomáquinas ha sido el resultado de innumerables pequeñas mejoras. Un esfuerzo sistemático ha sido realizado desde aproximadamente la segunda mitad del siglo pasado por las grandes casas constructoras europeas y americanas.

                                                               Watermill

Las turbomáquinas se pueden clasificar según:

  1. La compresibilidad del fluido
  2. El sentido de transición de la energía
  3. La dirección del flujo en el rodete
  • Según la compresibilidad del fluido en el interior de la máquina podemos diferenciar entre turbomáquinas hidráulicas y turbomáquinas térmicas.Aunque todo fluido real es compresible, en los líquidos, la variación de la densidad, y por lo tanto del volumen específico, es tan pequeña que en general podrá despreciarse. Sin embargo, si el fluido experimenta una variación considerable de la densidad en su paso a través de la máquina, ésta se considera como turbomáquina térmica.

    Dentro de las turbomáquinas hidráulicas tenemos las bombas, turbinas hidráulicas y ventiladores.

  • Según el sentido de transmisión de la energía se clasifican en motoras y generadoras:
    • En las turbomáquinas motoras, el fluido cede energía al rodete, disminuyendo la energía del fluido a su paso por la máquina. Dentro de este tipo se encuentran las turbinas hidráulicas.
    • En las turbomáquinas generadoras, el rodete cede energía al fluido. En este grupo se encuentran las bombas hidráulicas.

      Dentro de las turbinas diferenciamos entre turbinas de acción y turbinas de reacción:

      • Una turbina se llama de acción cuando la transformación de la energía potencial del flujo en energía cinética tiene lugar íntegramente en órganos fijos anteriores al rodete. En consecuencia, éste sólo recibe energía cinética y/o la presión del flujo a la entrada y a la salida del mismo del mismo no cambia (p1=p2)
      • Una turbina se llama de reacción (pura) cuando la transformación de la energía potencial del flujo en energía cinética tiene lugar íntegramente en el rodete. En consecuencia, éste sólo recibe energía potencial y/o la presión del flujo a la entrada del mismo es superior a la de salida (p1>p2)Esta diferencia se aplica también a bombas, sólo que el flujo iría al contrario. Tanto en las turbomáquinas de acción como en las de reacción, la fuerza sobre los álabes del rodete se debe a la variación de la cantidad de movimiento del flujo a su paso por el mismo.

Hemos nombrado varias veces al rodete de la turbomáquina, pero ¿qué es exactamente?

El rodete, en el que tiene lugar el intercambio de energía mecánica y de fluido, es el órgano principal de una turbomáquina. Consta de un cierto número de paletas o álabes, que dividen el espacio total ocupado por el mismo en conductos iguales, por donde circula el fluido de trabajo, que llena total o parcialmente el rodete experimentando una variación de su momento cinético.

  • Según la dirección del flujo las turbomáquinas hidráulicas se clasifican en radiales, axiales y mixtas.

                                                     clasificacion1

A continuación se añade un esquema resumen de la clasificación de las turbomáquinas para facilitar su entendimiento:

               clasificación2

Bibliografía:

Apuntes de Turbomáquinas hidráulicas

Mataix, C. Mecánica de fluidos y máquinas hidráulicas. Ediciones del Castillo, Madrid, 2ª edición, 1986

Mataix, C. Turbomáquinas hidráulicas. Ed. ICAI, Madrid, 1975

Agüera Soriano, J. Mecánica de fluidos incompresibles y turbomáquinas hidráulicas. Ed. Ciencia 3, Córdoba, 4ª edición. 1996

 

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