Entendiendo las Turbinas: Datos Clave, Aplicaciones y Funcionamiento

Pensando en cómo un fluido de trabajo se convierte en energía mecánica útil y/o eléctrica, debes pensar en una turbina. Es una turbomáquina con parte móvil llamada conjunto rotor. Tiene amplias aplicaciones: automóviles, aeroespacial, generador eléctrico, motor de turbina de gas, etc.

Hoy conocerás definición, aplicaciones, funciones, componentes, clasificaciones, tipos, funcionamiento, ventajas y desventajas de una turbina.

¿Qué es una turbina?

Una turbina es un dispositivo mecánico rotativo que extrae energía de un flujo de fluido y la convierte en energía mecánica y eléctrica útil. El trabajo producido puede usarse para generar energía eléctrica combinado con generador.

En el sistema, hay un conjunto de palas montadas en rotor que extrae energía del fluido en movimiento. Así, turbinas pueden ser más o menos eficientes según los tipos. El diseño de pala tiene mucho que ver con su eficiencia. Por eso diferentes aplicaciones necesitan diseños diferentes.

Además, una turbina puede verse como dispositivo que aprovecha energía cinética de fluido como aire, agua, vapor y gases de combustión. La energía creada se convierte en movimiento rotativo del dispositivo, usado para generación de energía.

La palabra turbina fue introducida en 1822 por ingeniero minero francés Claude Burdin. En griego significa "vórtice" o "remolino". El crédito de invención de turbina de vapor se da a ingeniero anglo-irlandés Sir Charles Parsons (1854–1931) por crear turbina de reacción. De 1845–1913, ingeniero sueco Gustaf de Laval inventó turbina de impulso. Hoy, turbina de vapor usa tanto reacción como impulso en misma unidad, variando grado desde raíz de pala a periferia.

Aplicaciones de la turbina

Ampliamente usadas en generación de energía eléctrica. Gran proporción de energía eléctrica mundial se genera por turbogeneradores.

Usadas en motores de turbina de gas en tierra, mar y aire.

Motores de combustión interna usan turbocompresores para aumentar eficiencia y velocidad.

Turboexpansores usados para refrigeración en procesos industriales.

Motores principales del transbordador espacial usaban turbobombas (bomba accionada por motor de turbina) para alimentar propelentes (oxígeno e hidrógeno líquidos) a cámara de combustión.

Aplicaciones también comunes en motores térmicos por alta eficiencia a alta potencia. Turbinas de gas frecuentes en motores térmicos por flexibilidad.

Una aplicación específica de turbinas de gas es en motores a reacción.

Turbinas eólicas transforman energía cinética del viento en potencia mecánica para generar electricidad girando generador. Pueden ser terrestres o marinas.

Turbinas hidráulicas usadas en centrales hidroeléctricas. Usan agua como fluido de trabajo.

Turbinas de vapor usadas en centrales nucleares y térmicas. Agua calentada forma vapor y fluye a través de turbinas para producir electricidad.

Nota: la función principal de una turbina es generación de energía.

Componentes de la turbina

Por diferentes tipos, componentes varían. Ejemplo: turbina Kaplan usa generador con arrancador, rotor, eje, compuerta guía y palas. Turbina de flujo cruzado (impulso modificado) tiene componentes: rodete, palas, parte de flujo de agua, distribuidor. Turbina Pelton incluye impulsor (rodete), boquilla, lanza, vástago de lanza, entrada, placa deflectora, cubetas, descarga. Todas estas partes se explicarán con diagramas.

Diagrama de turbina hidroeléctrica:

Clasificaciones y tipos de turbinas

Clasificación según intercambio de energía entre agua y máquina

Cómo reacciona flujo de fluido en palas causando turbinas hidráulicas. Se clasifica en dos: impulso y reacción.

Turbinas de impulso:

Conocida por rueda impulsada por energía cinética de fluido que golpea palas a través de boquilla. En estos tipos, maquinaria rotativa opera a presión atmosférica. Aptas para alta carga y bajo caudal.

Tres tipos: Pelton, Turgo y flujo cruzado. Pelton y Turgo son similares en construcción. Flujo cruzado es tipo impulso modificado, clasificado como impulso por rotación de rodete a presión atmosférica.

Turbinas de reacción:

Operan por suma de energía potencial y cinética del agua. Por presión y velocidad respectivamente causan rotación de palas. Toda la turbina sumergida en agua. Cambio de presión junto con energía cinética causa intercambio de potencia. Aplicaciones usualmente en cargas menores y caudales mayores que turbinas de impulso. Tipos comunes: Francis, Kaplan, Deriaz.

Según fluido directamente a través de la máquina

Clasificación por paso de agua a través de turbina. Dividido en cuatro categorías:

Turbina de flujo radial:

Flujo en rodete se mueve radialmente. Dividida en: flujo radial interno y externo. Turbinas Francis son buenos ejemplos.

Turbina de flujo radial interno – agua entra por tubería de presión, pasa por álabes guía fijos al rotor, sale de allí. Diámetros interno y externo son salida y entrada respectivamente.

Turbina de flujo tangencial o periférico:

Agua fluye dirección tangencial al rodete. Turbinas Pelton caen en esta categoría.

Turbina de flujo axial:

Fluido fluye paralelo al eje de turbina. Kaplan es un tipo.

Turbinas de flujo mixto:

Flujo entra radialmente y sale axialmente. Turbinas Francis modernas tienen esta característica.

Tipos según rango hidráulico de operación

Tres categorías:

Turbina de baja carga:

Operando en rango de carga menor a 45 metros. Kaplan es uno. Si carga menor a 3 metros, se considera ultra-baja carga.

Turbina de carga media:

Rango de trabajo 45 a 250 metros. Francis operan en tales condiciones.

Turbinas de alta carga:

Cargas superiores a 250 metros. Pelton es buen ejemplo.

Clasificación y tipos según velocidad específica

Velocidad específica denotada por N_s. Definida como velocidad de turbina con similitud geométrica que genera unidad de potencia bajo carga unitaria. Basado en este parámetro, turbinas hidráulicas se clasifican en tres clases:

Turbina de baja velocidad específica:

Valor entre 1 y 10. Turbinas de impulso operan en este rango. Pelton suele operar en velocidad específica de 4.

Turbina de velocidad específica media:

Rango 10 a 100. Tipo Francis trabaja en esta proporción.

Turbina de alta velocidad específica:

Velocidades específicas arriba de 100, como funciona Kaplan.

Funcionamiento de una turbina

Es simple y fácil de entender. Aunque varía según tipo. Explicaré turbinas de gas.

En turbina de gas, aire comprimido se calienta y mezcla con combustible. Mezcla se enciende y expande rápidamente. Aire en expansión entra a turbina causándola girar. Por aire comprimido, altitudes altas no afectan eficiencia. Por eso perfectas para aviones.

Mira el video a continuación para aprender más sobre el funcionamiento de turbinas de gas:

Conclusión

Turbinas explicadas como dispositivo mecánico rotativo que extrae energía de fluido de trabajo convertida en energía útil. En esta publicación dimos definición, aplicaciones, función, componentes, diagrama, tipos y funcionamiento.

Espero que hayas aprendido mucho; si es así, compártelo con otros estudiantes. ¡Gracias por leer! Hasta la próxima.