Turbina para niños
Turbina es el nombre genérico que se da a la mayoría de las turbomáquinas motoras. Estas son máquinas de fluido, a través de las cuales pasa un fluido en forma continua y este le entrega su energía cinética a través de un rodete con paletas o álabes.
La turbina es un motor rotatorio que convierte en energía mecánica la energía cinética de una corriente de agua, vapor de agua o gas. El elemento básico de la turbina es la rueda o rotor, que cuenta con palas, hélices, cuchillas o cubos colocados alrededor de su circunferencia, de tal forma que el fluido en movimiento produce una fuerza tangencial que impulsa la rueda y la hace girar. Esta energía mecánica se transfiere a través de un eje para proporcionar el movimiento de una máquina, un compresor, un generador eléctrico o una hélice.
Las turbinas constan de 1 o 2 ruedas con paletas, denominadas rotor y estátor, siendo la primera la que, impulsada por el fluido, arrastra el eje en el que se obtiene el movimiento de rotación.
Hasta el momento, la turbina es uno de los motores más eficientes que existen (alrededor del 50 %) con respecto a los motores de combustión interna y hasta algunos eléctricos. Ya en los años 20, unos inventores, entre ellos uno de apellido Thyssen, patentaron una turbina de combustión interna a la que atribuyeron un rendimiento termodinámico del 31 %.
El término turbina suele aplicarse también, por ser el componente principal, al conjunto de varias turbinas conectadas a un generador para la obtención de energía eléctrica. El término fue acuñado en 1822 por el ingeniero de minas francés Claude Burdin del griego τύρβη, tyrbē, que significa "vórtice" o "girando", en un memorando, "Des turbines hydrauliques ou machines rotatoires à grande vitesse", que presentó en la Académie royale des sciences en París. Benoit Fourneyron, un antiguo alumno de Claude Burdin, construyó la primera turbina de agua práctica.
Contenido
Clasificación
Las turbinas pueden clasificarse en dos subgrupos principales: hidráulicas y térmicas.
Turbinas hidráulicas
Son aquellas cuyo fluido de trabajo no sufre un cambio de densidad considerable a través de su paso por el rodete o por el estátor; estas son generalmente las turbinas de agua, que son las más comunes, pero igual se pueden catalogar como turbinas hidráulicas a los molinos de viento o aerogeneradores.
Dentro de este género suele hablarse de:
- Son aquellas en que el fluido no sufre ningún cambio de presión a través de su paso por el rodete. La presión que el fluido tiene a la entrada en la turbina se reduce hasta la presión atmosférica en la corona directriz, manteniéndose constante en todo el rodete. Su principal característica es que carecen de tubería de aspiración. La principal turbina de acción es la Turbina Pelton, cuyo flujo es tangencial. Se caracterizan por tener un número específico de revoluciones bajo (ns<=30). El distribuidor en estas turbinas se denomina inyector.
- Son aquellas en el que el fluido sufre un cambio de presión considerable en su paso por el rodete. El fluido entra en el rodete con una presión superior a la atmosférica y a la salida de este presenta una depresión. Se caracterizan por presentar una tubería de aspiración, la cual une la salida del rodete con la zona de descarga de fluido. Estas turbinas se pueden dividir atendiendo a la configuración de los álabes. Así, existen las turbinas de álabes fijos (Francis->Radial axial, no diagonal; Hélice->Flujo axial) y turbinas con álabes orientables (Deriaz->Flujo diagonal; Kaplan->Flujo axial). El empleo de álabes orientables permite obtener rendimientos hidráulicos mayores.
El rango de aplicación (una aproximación) de las turbinas, de menor a mayor salto es: kaplan-francis-pelton
El número específico de revoluciones es un número común para todas las turbinas/bombas geométricamente semejantes (de menor a mayor es: pelton-francis-kaplan). Cuanto mayor es el número específico de revoluciones, tanto mayor es el riesgo de cavitación de la turbina, es decir, una Turbina Kaplan tiene más probabilidad de que se dé en ella el fenómeno de la cavitación que en una Turbina Francis o una Pelton.
Turbinas térmicas
Son aquellas cuyo fluido de trabajo sufre un cambio de densidad considerable a través de su paso por la máquina.
Estas se suelen clasificar en dos subconjuntos distintos debido a sus diferencias fundamentales de diseño:
- Su fluido de trabajo puede sufrir un cambio de fase durante su paso por el rodete; este es el caso de las turbinas a mercurio, que fueron populares en algún momento, y el de las turbinas a vapor de agua, que son las más comunes.
- En este tipo de turbinas no se espera un cambio de fase del fluido durante su paso por el rodete.
También al hablar de turbinas térmicas, suele hablarse de los siguientes subgrupos:
- En este tipo de turbinas el salto entálpico ocurre solo en el estátor, dándose la transferencia de energía solo por acción del cambio de velocidad del fluido.
- El salto entálpico se realiza tanto en el rodete como en el estátor, o posiblemente, solo en rotor.
Igual de común es clasificar las turbinas por la presión existente en ellas en relación a otras turbinas dispuestas en el mismo grupo:
- Son las más pequeñas de entre todas las etapas y son las primeras por donde entra el fluido de trabajo a la turbina.
- Son las últimas de entre todas las etapas, son las más largas y ya no pueden ser más modeladas por la descripción euleriana de las turbomáquinas etc.
Turbinas eólicas
Una turbina eólica es un mecanismo que transforma la energía del viento en otra forma de energía útil como mecánica o eléctrica.
La energía cinética del viento es transformada en energía mecánica por medio de la rotación de un eje. Esta energía mecánica puede ser aprovechada para moler, como ocurría en los antiguos molinos de viento, o para bombear agua, como en el caso del molino multipala. La energía mecánica puede ser transformada en eléctrica mediante un generador eléctrico (un alternador o un dinamo). La energía eléctrica generada se puede almacenar en baterías o utilizarse directamente.
Turbina submarina
Una Turbina submarina es un dispositivo mecánico que convierte la energía de las corrientes submarinas en energía eléctrica. Consiste en aprovechar la energía cinética de las corrientes submarinas, fijando al fondo submarino turbinas montadas sobre torres prefabricadas para que puedan rotar en busca de las corrientes submarinas. Ya que la velocidad de estas corrientes varía a lo largo de un año, se han de ubicar en los lugares más propicios en donde la velocidad de las corrientes varían entre 3 km/h y 10 km/h para implantar centrales turbínicas preferentemente en profundidades lo más someras posibles y que no dañen ningún ecosistema submarino. Las turbinas tendrían una malla de protección que impediría la absorción de animales acuáticos.
Usos
Una gran proporción de la energía eléctrica del mundo es generada por turbogeneradores.
Las turbinas se utilizan en motores turbinas de gas en tierra, mar y aire.
Los turbocompresores se utilizan en motores de pistón.
Las turbinas de gas tienen densidades de potencia muy altas (es decir, la relación potencia/masa o potencia/volumen) porque funcionan a velocidades muy altas. El motor principal del transbordador espacial usaba turbobombas (máquinas que consisten en una bomba impulsada por un motor de turbina) para alimentar los propulsores (oxígeno líquido e hidrógeno líquido) en la cámara de combustión del motor. La turbobomba de hidrógeno líquido es ligeramente más grande que el motor de un automóvil (con un peso aproximado de 700 lb) y la turbina produce casi 70 000 CV (52,2 MW).
Los turboexpansores se utilizan para refrigeración en procesos industriales.
Para más información
- Layton, Edwin T. "From Rule of Thumb to Scientific Engineering: James B. Francis and the Invention of the Francis Turbine," NLA Monograph Series. Stony Brook, NY: Research Foundation of the State University of New York, 1992.
Véase también
En inglés: Turbine Facts for Kids
