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¿Qué es una turbina?

Las turbinas de vapor son máquinas simples que tienen prácticamente una sola parte móvil, el rotor. Sin embargo, requieren algunos componentes auxiliares para funcionar: cojinetes de contacto plano para sostener el eje, cojinetes de empuje para mantener la posición axial del eje, un sistema de lubricación de los cojinetes y un sistema de estanqueidad que impide que el vapor salga de la turbina y que el aire entre en ella.

Una turbina de gas simple está compuesta de tres secciones principales: un compresor, un quemador y una turbina de potencia. Las turbinas de gas operan en base en el principio del ciclo Brayton, en donde aire comprimido es mezclado con combustible y quemado bajo condiciones de presión constante. El gas caliente producido por la combustión se le permite expanderse a través de la turbina y hacerla girar para llevar a cabo trabajo. En una turbina de gas con una eficiencia del 33%, aproximadamente 2/3 del trabajo producido se usa comprimiendo el aire. El otro 1/3 está disponible para generar electricidad, impulsar un dispositivo mecánico, etc.

1. Descripción y Funcionamiento

¿Cómo funciona la turbina más sencilla?

R/: El funcionamiento de la turbina de vapor se basa en el principio termodinámico que expresa que cuando el vapor se expande disminuye su temperatura y se reduce su energía interna. Esta reducción de la energía interna se transforma en energía mecánica por la aceleración de las partículas de vapor, lo que permite disponer directamente de una gran cantidad de energía. Cuando el vapor se expande, la reducción de su energía interna en 400 calorías puede producir un aumento de la velocidad de las partículas a unos 2.900 km/h. A estas velocidades la energía disponible es muy elevada, a pesar de que las partículas son extremadamente ligeras.

Descripción de las turbinas se muestran mediante el siguiente proceso:

COMPRESOR: El compresor se encuentra en la entrada del motor y se encuentra conectado al disco de turbina por medio de un eje, el compresor puede ser de tres tipos diferentes:

Axial. (El compresor axial es él mas utilizado en las turbinas "de verdad" pero para las pequeñas turbinas de aeromodelismo es muy difícil de construir y balancear.)
Radial o Centrifugo.
Diagonal.

Tubo de cojinetes ó pasaeje: Es un elemento cilíndrico por cuyo interior pasa el eje de la turbina y además se encarga de dar estructura al motor va fijado a la parte posterior del difusor y a la parte delantera del conjunto N.G.V.

DIFUSOR:Tiene como misión cambiar la velocidad de la corriente de aire que viene del compresor para aumentar la presión. El difusor es diferente según el compresor sea axial o centrifugo.

CÁMARA DE COMBUSTIÓN: Es una de las partes mas criticas de las turbinas de aeromodelismo, su diseño es critico dado que la temperatura de salida es fundamental así como la longitud de la cámara esta limitada por cuestiones de diseño que no vienen al caso.

ALABES GUÍA DE TURBINA ( N.G.V.): Esta parte tiene como función aumentar la velocidad de la corriente de gas caliente que sale de la cámara de combustión y dirigirla con el ángulo apropiado al disco de turbina.

DISCO DE TURBINA: Es la parte encargada de extraer parte de la energía de la corriente de gas para convertirla en movimiento, su única función es hacer rotar el compresor al cual se encuentra unido por medio de un eje.

Existen dos tipos de discos de turbina:

Los axiales: Son los mas utilizados pues poseen excelentes características de aceleración y un peso bastante reducido, su única contra es que deben respetarse a estrictamente las temperaturas y velocidades máximas sino se corre el riesgo de que el disco se "desintegre" literalmente.

Las radiales: Si bien se utilizan menos por ser bastante mas pesadas y por lo tanto tardan mas en acelerar tienen la particularidad de ser muy robustas, soportan mas revoluciones a mayor temperatura.

LA TOBERA DE ESCAPE: En esta parte los gases de escape son acelerados para aumentar el empuje producido por la turbina, básicamente es un conducto cónico y algunas veces también posee un cono interior.

SU CICLO DE FUNCIONAMIENTO

El aire ingresa al compresor donde aumenta parcialmente la presión y temperatura, luego es llevado al difusor donde se produce el incremento final de presión, el aire ingresa a la cámara de combustión donde se mezcla con el combustible y se quema para incrementar la temperatura (y por lo tanto la energía total contenida en el gas), luego es dirigido hacia el conjunto de alabes estatores de la turbina (N.G.V., Next Gide Vane) estos tienen como misión dirigir el gas hacia el disco de turbina con el angulo correcto y además incrementar su velocidad, luego el gas pasa por el disco de turbina donde parte de la energía que contiene es extraída para mover el compresor (en las micro turbinas se extrae una GRAN parte de la energía) al cual se encuentra unido por medio de un eje, el gas deja la turbina con gran temperatura y velocidad pero es acelerado aun mas en la tobera de escape, el gas que sale a gran velocidad es el responsable de la reacción que se conoce como "empuje" de la turbina.

Las turbinas no pueden arrancar por si solas, necesitan ser llevadas a un determinado numero de RPM para crear suficiente presión en el motor para permitir el funcionamiento, en las turbinas de aeromodelismo esto suele estar cerca de las 20000 RPM, sin embargo el ralentí de estas turbinas suele estar entre 30000 y 40000 RPM para mejorar la aceleración y "suavizar" el comportamiento general.

2. Dibujo Esquemático

3. Propiedades de estado en la entrada, salida y comparación.

Entrada: Vapor Sobrecalentado.
Salida: Las turbinas pueden tener una sola salida a la cual llamaremos principal, o dos salidas a la cual llamaremos una intermedia y a la otra principal.

Con una sola salida sale: Principal: Mezcla Saturada.

Con dos salidas sale: Principal: Mezcla saturada Intermedia: Vapor saturado o sobrecalentado.

Las calderas son diseñadas para transformar vapor en mezcla.

No hay extracción de masas por lo tanto decimos que el flujo masico en la entrada es igual al flujo masico de salida, el cual podra ser apreciado con la ecuacion de continuidad.

En las turbinas se produce una disminución de temperatura, la presión P también presenta disminución, esta tiene un trabajo de flujo que sale del sistema y el volumen especifico presenta un aumento.

Se asume que la potencial y el flujo de calor son valores muy pequeños en comparación a los demás asique se desprecian. La energía cinetica en casos puede ser despreciable y en otros casos no.

Con esto podemos deducir que: