FLUJO EN LAS TURBOMAQUINAS

En la sección 2.1 de este capítulo se han introducido los distintos tipos de turbomáquinas clasificados de acuerdo a la dirección del flujo en el rotor. Según se comentó, de acuerdo con dicho criterio, se tienen cinco tipos: radiales, axiales, diagonales, tangenciales y de flujo cruzado, como se muestra en la figura 2.6. Los tres primeros corresponden a turbomáquinas de admisión total, mientras que los dos últimos son máquinas de admisión parcial, que existen únicamente como turbinas, no teniendo su homologo como máquina generadora.

Figura 2.6: Clasificación según la dirección del flujo en el rodete. a) Máquina radial. b) Máquina diagonal. c) Máquina axial. d) Máquina tangencial. e) Flujo cruzado.

Flujo radial 

La trayectoria absoluta de una partícula que entra a un rodete radial se mantiene prácticamente en todo momento en un plano perpendicular al eje de giro, es decir, las superficies que limitan un volumen activo de fluido son dos planos paralelos perpendiculares al eje de la máquina, figura 2.7. El fluido se mueve centrífuga o centrípetamente según se trate de máquina generadora o motora, respectivamente, a la vez que es arrastrado por el giro de la máquina. Por tanto, se puede considerar nula la componente axial de la velocidad, o lo que es lo mismo, componente meridional y radial coinciden en las maquinas radiales.

Existen bombas, ventiladores y turbinas radiales. Es frecuente en la literatura el empleo del término bombas centrífugas para denominar a las primeras. Esta denominación se debe a la importancia que generalmente tiene la contribución de la fuerza centrífuga al trabajo total en este tipo de bombas. En este texto se utilizará únicamente el termino bomba radial para distinguirlas de las bombas diagonales, en las que como se verá, el flujo también es centrífugo. La única turbina radial que se instala en la actualidad es la conocida como turbina Francis lenta (J.B. Francis, 1849), con rodete similar al de una bomba radial.

Flujo axial 

En un rotor axial, la trayectoria absoluta de una partícula que entra al mismo, se mantiene en el espacio limitado por dos cilindros coaxiales con el eje, es decir el fluido avanza en la dirección axial a la vez que arrastrado por la máquina en su giro, figura 2.8. Las superficies de corriente son aproximadamente, cilindros coaxiales con el eje de giro. En puntos de funcionamiento próximos al de diseño, para una partícula de fluido que atraviese el rotor de una turbomáquina axial a una distancia r del eje de giro pueden suponerse:

Ejemplos de turbomáquinas axiales son las turbinas de hélice y las turbinas Kaplan con alabes orientables en el caso de máquinas motoras y los ventiladores y las bombas axiales en el caso de generadores.

Flujo diagonal, semiaxial o mixto 

En las maquinas diagonales, el flujo tiene lugar centrípeta o centrífugamente como en las radiales, con una componente axial superpuesta. La trayectoria seguida por una partícula fluida en el caso más general, está situada sobre una superficie de revolución cualquiera, desarrollable o no, figura 2.9.

Flujo tangencial 

El agua, procedente de una tobera o inyector incide tangencialmente sobre la circunferencia cuyo diámetro es el del rotor, produciendo así el par motor, figura 2.10. Las turbinas de acción Pelton (L.A. Pelton, 1889), son las únicas maquinas tangenciales que se instalan en la práctica. En ellas, el intercambio de energía en estas máquinas se realiza a presión atmosférica. Son máquinas de admisión parcial, en las que el fluido intercambia únicamente energía cinética con el rodete. Constituyen la evolución lógica de las antiguas ruedas hidráulicas.

Flujo cruzado

El flujo que sale de un inyector atraviesa dos veces el rotor, una centrípeta y otra centrífugamente. Al igual que en el caso de las máquinas de flujo tangencial, solo existen como máquina motora, no teniendo su equivalente como máquina generadora. Son, por tanto, turbinas de admisión parcial, generalmente clasificadas como máquinas de acción, aunque dependiendo de la proximidad del inyector a los ´alabes, pueden funcionar incluso con un cierto grado de reacción. La turbina de flujo cruzado fue patentada en 1903 por el ingeniero A.G. Michell, siendo D. Bankia el realizador del estudio teórico entre 1912 y 1918. De ahí que se le conozca también como turbina Michell-Bankia, figura 2.11.