Fundamentos y Clasificación de Turbinas: Hidráulicas y Térmicas

Variables fundamentales

Las variables clave en el estudio de turbomáquinas son: caudal, energía, viscosidad, densidad y revoluciones.

Definición de Turbina

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 de forma continua, entregando su energía mediante un rodete con paletas o álabes.

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. Generalmente son turbinas de agua, aunque también se pueden modelar como turbinas hidráulicas los molinos de viento o aerogeneradores.

Clasificación de turbinas hidráulicas

• Turbinas de acción: El fluido no sufre ningún cambio de presión a través de su paso por el rodete. La presión de entrada se reduce hasta la presión atmosférica en la corona directriz, manteniéndose constante en el rodete. Carecen de tubería de aspiración. La principal es la Turbina Pelton (flujo tangencial), con un número específico de revoluciones bajo (ns ≤ 30). Su distribuidor se denomina inyector.
• Turbinas de reacción: El fluido sufre un cambio de presión considerable en su paso por el rodete. Entra con una presión superior a la atmosférica y a la salida presenta una depresión. Utilizan una tubería de aspiración que une la salida del rodete con la zona de descarga. Se dividen según la configuración de sus álabes:
  • Álabes fijos: Francis (radial-axial) y Hélice (flujo axial).
  • Álabes orientables: Deriaz (flujo diagonal) y Kaplan (flujo axial). El uso de álabes orientables permite obtener rendimientos hidráulicos mayores.

Rendimiento y cavitación

El rango de aplicación de las turbinas, de menor a mayor salto, es: Kaplan - Francis - Pelton. El número específico de revoluciones es común para turbinas/bombas geométricamente semejantes (de menor a mayor: Pelton - Francis - Kaplan). A mayor número específico de revoluciones, mayor es el riesgo de cavitación; por ello, una Turbina Kaplan tiene más probabilidad de sufrir este fenómeno que 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. Se clasifican en:

• Turbinas de vapor: El fluido puede sufrir un cambio de fase durante su paso por el rodete (ej. turbinas a mercurio o a vapor de agua).
• Turbinas de gas.

Nociones preliminares de mecánica de fluidos

Conceptos básicos

• Mecánica de fluidos: Estudia el movimiento de fluidos y gases, las fuerzas que lo provocan y las interacciones entre el fluido y el contorno que lo limita.
• Partícula fluida: Concepto estrechamente ligado al medio continuo y de gran importancia en la mecánica de fluidos.
• Viscosidad: Propiedad utilizada para distinguir el comportamiento entre fluidos y sólidos.
• Compresibilidad: Propiedad por la que los cuerpos disminuyen de volumen al someterlos a una presión o compresión determinada, manteniendo constantes otros parámetros.