Fundamentos Esenciales de las Turbomáquinas: Operación, Clasificación y Comparativa Técnica

Principio de Funcionamiento de una Turbomáquina

Una turbomáquina es un dispositivo rotodinámico mecánico que transforma la energía (de energía de fluido a energía mecánica o viceversa) en su rotor. En este proceso, el flujo continuo de un fluido cambia su momento angular (momento de cantidad de movimiento) entre la entrada y la salida de dicho rotor. También se puede definir como un dispositivo mecánico cuyo componente principal es un rotor a través del cual pasa un fluido de forma continua, modificando su momento de cantidad de movimiento.

Tipos de Máquinas Mecánicas y su Relación con las Turbomáquinas

Para comprender mejor las turbomáquinas, es útil diferenciarlas de otras categorías de máquinas mecánicas:

• Máquinas Mecánicas Rotodinámicas (Turbomáquinas)

  Son las turbomáquinas propiamente dichas, caracterizadas por la transferencia continua de energía entre un fluido y un rotor en movimiento rotatorio.

• Máquinas Reciprocantes o de Pistón

  Transfieren la energía en un dispositivo de cilindro-pistón, ya sea de energía de fluido a energía mecánica o viceversa. Su característica particular, a diferencia de las turbomáquinas, es que su transformación se realiza bajo un flujo de fluido intermitente o discontinuo.

• Máquinas Mecánicas Rotativas

  Conforman aquellas máquinas que transfieren la energía de forma intermitente mediante dispositivos rotativos.

Características Comparativas de las Turbomáquinas frente a Otras Máquinas Mecánicas

Las turbomáquinas presentan ventajas y particularidades distintivas en comparación con otras máquinas mecánicas:

• En cuanto al flujo: Las turbomáquinas operan con flujo continuo, mientras que otras máquinas lo hacen con flujo discontinuo. Esta característica se traduce en una ventaja para las turbomáquinas en lo que respecta a la regulación del caudal.
• En cuanto a la presión: Comparativamente, las turbomáquinas tienen limitaciones en los niveles de presión del flujo. Sin embargo, su principal ventaja radica en su capacidad para trabajar con grandes volúmenes de flujo.
• En cuanto al mantenimiento: El costo de operación y mantenimiento de una turbomáquina es generalmente menor al de una máquina rotativa o de pistón, considerando una igualdad de capacidad de requerimiento.

Clasificación Detallada de las Turbomáquinas

Las turbomáquinas pueden clasificarse según diversos criterios:

1. De Acuerdo a la Temperatura e Incompresibilidad del Flujo

• Turbomáquinas Hidráulicas o Frías

  El fluido de trabajo, a su paso por el rodete, se comporta como incompresible (líquidos) o cuasi-incompresible (aire). Cuando se trata de líquidos como el agua, estamos en el campo de las turbinas hidráulicas (Pelton, Francis, Kaplan, de Bulbo, Michell-Banki, Turgo) y las bombas hidráulicas radiales y axiales. Cuando se trata de fluidos cuasi-incompresibles, nos encontramos en el campo de los ventiladores y sopladores, ya sean radiales o axiales.

• Turbomáquinas Térmicas o Calientes

  El fluido de trabajo, a su paso por el rodete, se comporta como compresible, incrementando su temperatura por encima de la del ambiente. Este es el campo de las turbinas de gas, turbinas de vapor y compresores de aire.

2. De Acuerdo a la Transferencia de Energía

• Turbomáquinas Motrices o Activas

  Son aquellas que reciben la energía del fluido y la transforman en energía de movimiento de un rotor y, de este, a un eje; es decir, generan potencia mecánica en su eje. Corresponden al campo de las turbinas de todo tipo rotodinámico.

• Turbomáquinas Movidas o Pasivas

  Reciben la energía por el movimiento a través de un eje, que a su vez mueve un rotor y se la entregan al fluido; es decir, entregan energía mecánica para convertirla en energía de fluido. Se trata de las bombas, ventiladores, sopladores y compresores.

3. De Acuerdo a la Forma del Rotor y Dirección del Flujo

• Turbomáquinas de Rotor Radial o Flujo Radial

  Se caracterizan porque el fluido se proyecta pasando de forma perpendicular al eje. En esta categoría se encuentran las turbinas hidráulicas Francis, las turbinas de gas centrífugas, bombas centrífugas y compresores de aire centrífugos, entre otros.

• Turbomáquinas de Rotor Axial o Flujo Axial

  El fluido se proyecta pasando de forma paralela al eje. Aquí se incluyen las turbinas hidráulicas Kaplan, por ejemplo.

• Turbomáquinas de Flujo Tangencial

  El flujo de fluido ingresa de forma tangencial al rotor. Este es un caso particular propio de la turbina Pelton.

• Turbomáquinas de Flujo Transversal

  El flujo de fluido atraviesa el rotor en el mismo plano de giro de la turbina. Es un caso propio de la turbina Michell-Banki.

Interacción entre el Fluido y el Rotor

La interacción se basa en las fuerzas de presión perpendiculares a la superficie de los álabes o paletas del rotor. Esta fuerza se denomina fuerza de sustentación (F_L), la cual, junto a la fuerza de resistencia (F_D) debido a la viscosidad del fluido, determinan la fuerza resultante (F_R). Para que esta interacción ocurra, se necesita la presencia del rotor o rodete que va adosado a un eje.