23.6K
2.6K
1406
1.066
310
usuarios
x
Acceder
Usuario / e-mail:
Contraseña:
Los usuarios pueden dar de alta sus concesionarios o cambiar sus datos si son profesionales, bajar fotos, realizar tasaciones de vehiculos usados, o participar en el foro entre otras muchas ventajas. Registrate Gratis
Busca por letra: A | B | C | D | E | F | G | H | I | J | K | L | M | N | O | P | Q | R | S | T | U | V | W | X | Y | Z
Buscar también en la definición

TURBINA - Definición - Significado

29/04/2011
Las turbinas son máquinas motrices de flujo continuo que producen trabajo mecánico medíante un sistema de alabes de formas diversas empleando la energía cinética, térmica o de presión de un fluido. Sin duda, la turbina proviene de la rueda de molino accionada por el agua o por el viento.
Según el tipo de fluido, las turbinas se clasifican en hidráulicas, de vapor o de gas. Se denomina turbina de gas no solamente la máquina motriz, sino el motor completo, que incluye también otros órganos fundamentales. En el sector automovilístico, por motor de turbina se entiende normalmente la turbina de gas, ya que resulta difícil pensar en la utilización de otros tipos de turbinas para automoción. Las turbinas de gas pueden emplearse para la propulsión en 2 formas distintas: mediante los motores de reacción o turborreactores o mediante los motores de acción (por ejemplo, turbinas para automoción y turbohélices).
El funcionamiento de las turbinas de gas se basa en el ciclo termodinámico de Joule. Un compresor aspira aire de la atmósfera y lo envía (comprimido) a una cámara donde se inyecta combustible, que arde de forma continua y eleva la temperatura del fluido. Detrás del generador de gas se encuentra la turbina propiamente dicha, unida directamente al compresor mediante un eje. Si la propulsión es por reacción, la turbina tiene por única misión arrastrar el compresor. Los gases de escape se aceleran en una tobera y son expulsados a gran velocidad; la variacjón de la cantidad de movimiento del fluido entre la entrada del motor y la salida de la tobera produce un empuje hacia delante que se emplea para la propulsión.
La propulsión por reacción se emplea en aeronáutica y, entre los vehículos terrestres, en algunos automóviles de récord.
Si la propulsión es por acción, la turbina produce la expansión casi hasta la presión atmosférica, recibiendo más trabajo del que es necesario para accionar el compresor. El trabajo sobrante se transmite, a través de un reductor, a las ruedas del vehículo (o a la hélice, en el caso de turbohélice).
Existen turbinas de un eje (single shaft) y de dos ejes (two shaft). En las primeras se tiene una sola turbina, unida simultáneamente al compresor y a las ruedas. En los motores de dos ejes, una primera turbina mueve únicamente el compresor, mientras que los gases de escape de ésta pasan a una segunda máquina (turbina de potencia), unida sólo a las ruedas e independiente de la primera.
En los años cincuenta, con los grandes éxitos de las turbinas en aviación, fueron muchos los que creyeron en su inminente difusión en el sector automovilístico. Sin embargo, las exigencias aeronáuticas son muy distintas de las de la propulsión terrestre y algunas de las características de las turbinas han demostrado poseer grandes inconvenientes para su empleo en los automóviles. Con relación a los motores alternativos, las turbinas poseen los siguientes puntos a su favor: menor peso, menores dimensiones (si se aceptan consumos muy altos), ausencia de vibraciones, ruido reducido, facilidad de puesta en marcha en frío, posibilidad de emplear combustibles de baja calidad, bajo nivel de emisiones contaminantes (sobre todo CO y HC) y menores variaciones de la potencia con la altura. Sin embargo, poseen los siguientes problemas: alto coste de construcción, consumo elevado (sobre todo durante la marcha a potencias reducidas), menor rapidez de aceleración, necesidad de un reductor de alta velocidad, necesidad de sistemas de regulación sofisticados y un alto coste y bajo rendimiento de las unidades menores (de menos de 150 CV). Efectivamente, el empleo de las turbinas se halla generalizado en aeronáutica y en la propulsión naval, donde se requieren potencias altas, y su coste no se halla desproporcionado con relación al del vehículo.
El primer intento por construir una turbina se remonta a 1872, año en que se inventó la turbina de aire caliente de Stolze. Probada 20 años más tarde, esta máquina no funcionó, ya que el compresor absorbía más potencia de la que la turbina conseguía desarrollar.
En 1905, en París, Armengaud y Lemale hicieron funcionar la primera turbina de gas de la historia. La máquina, dotada de un compresor centrífugo, apenas conseguía automantenerse, ya que la turbina producía el trabajo estrictamente suficiente para arrastrar el compresor.
Todavía hacía falta llevar a cabo muchos progresos en el proyecto de las turbomáquinas, mejorando los rendimientos de los compresores, y sobre todo en metalurgia, para obtener materiales que pudieran soportar las elevadas temperaturas de entrada a la turbina, antes de que fuese posible construir una turbina de gas eficiente.
En el terreno de la propulsión terrestre, durante la segunda guerra mundial se realizaron en Alemania estudios de unidades motrices con potencias comprendidas entre 600 y 1.000 CV para su aplicación a carros de combate y locomotoras.
Acabada la guerra, algunas industrias británicas y norteamericanas, con la experiencia adquirida en la construcción de los primeros turborreactores, realizaron prototipos de turbinas de gas para usos terrestres.
El 8 de marzo de 1950, la Rover presentó el Jet 1, el primer automóvil del mundo accionado por una turbina de gas. Partiendo del chasis de una berlina, se había obtenido un cabriolet de 2 plazas con motor trasero. El propulsor, tipo T 8, comprendía un compresor centrífugo, una cámara de combustión doble, una turbina axil de una etapa y una turbina de potencia independiente. En aquella ocasión, durante una prueba de aceleración llevada a cabo en el circuito del M.I.R.A. de Nuneaton, el vehículo alcanzó 60 millas/h en 14 s.
Pronto, otras marcas pusieron a punto sus prototipos (Austin, Standard, Socema, Renault, General Motors, Chrysler, Ford, Fiat y otras). En 1962, por vez primera en la historia, un automóvil de turbina, el John Zink Trackburner de Dan Gurney, participó en las pruebas de clasificación de las 500 Millas de Indianápolis.
En 1963, el Rover-BRM, accionado por una turbina Rover 2 S/150, participó fuera de concurso en las 24 Horas de Le Mans: si se hubiera clasificado, habría sido el séptimo absoluto, detrás de 6 Ferrari: El motor (two shaft) desarrollaba una potencia máxima de 166 CV y su régimen máximo era de 65.000 rpm para el generador de gas (relación de compresión 4:1) y de 50.000 rpm para la turbina de potencia. La transmisión carecía de cambio de velocidades.
Al año siguiente, la Chrysler, que estudiaba el automóvil de turbina desde hacía más de 10 años, construyó una pequeña serie de 50 automóviles, los A 831, que encomendó aun grupo seleccionado de conductores durante un período de prueba de 3 meses. El propulsor, del tipo de dos ejes con regenerador, desarrollaba una potencia máxima de 130 CV con una relación de compresión de 4:1 y una temperatura de entrada en la turbina de 925 °C; su consumo específico a la máxima potencia era de 280 g/CVh.
Tras esta experiencia, en Estados Unidos la turbina fue arrinconada. Se abandonó tanto el programa Chrysler de construir una serie de 200 ejemplares como el ambicioso proyecto Ford de construir una serie de 20.000 automóviles Galaxie accionados por turbinas del tipo 706.
En las turbinas para automoción se emplean exclusivamente turbocompresores centrífugos. Los compresores volumétricos no son compatibles con el funcionamiento continuo de la máquina y los axiles no resultan adecuados para los reducidos caudales de aire de las turbinas de poca potencia. Los compresores centrífugos desarrollan, en una sola etapa, reacciones de compresión discretas y, por tanto, permiten una gran simplificación de la instalación.
Si el compresor se hace funcionar con caudales de aire mucho menores que el valor óptimo, se presenta una irregularidad de funcionamiento, denominada bombeo, que consiste en una oscilación de la vena fluida en el compresor y en la cámara de combustión, con inversión del sentido del movimiento, de la que pueden derivarse consecuencias catastróficas.
El rendimiento del compresor (relación entre el trabajo cedido realmente al fluido y el trabajo que habría sido suficiente, en el caso de una compresión reversible, para obtener la misma presión final) debe ser muy alto para mejorar el rendimiento de la máquina.
Una de las principales causas por las que los primeros intentos de construcción de turbinas de gas fracasaron fue precisamente el reducido rendimiento de los compresores. Si se piensa que, aproximadamente, los 3/3 de la potencia de la turbina se emplean para mover el compresor y, por tanto, no son utilizables, se comprende el interés por reducir, aunque sea un poco, este derroche de energía.
En la cámara de combustión se inyecta combustible de manera continua y debe arder formando una llama estable. Como la temperatura de los gases quemados ha de ser reducida, la relación aire/combustible es particularmente alta.
Por este motivo, el flujo de aire se divide en dos partes: la primera, aire primario, incide en el chorro de combustible, iniciando la combustión con un elevado valor de la relación aire/combustible; la residual, aire secundario y terciario, se inyecta más adelante, diluyendo los gases quemados y reduciendo su temperatura. En la primera parte de la cámara de combustión, ambos flujos de aire se mantienen separados mediante un tubo en forma de campana alargada (tubo de llama), que en su parte media permite la entrada del aire secundario y en su parte terminal posee una serie de orificios para la introducción del aire terciario. En el tramo inicial del tubo de llama existe una bujía que inflama el combustible durante la puesta en marcha.
La turbina está constituida por una o varias etapas, compuesta cada una de un estator (tobera) y un rotor. El estator tiene la misión de acelerar el fluido, dirigiéndolo a los alabes del rotor con un ángulo adecuado. Los gases, al entrar en el rotor, experimentan una desviación y proporcionan un impulso debido a la variación de su cantidad de movimiento.
Pueden emplearse tanto turbinas axiles como radiales (centrípetas). Aunque estas últimas resultan más adecuadas para los pequeños caudales en circulación, se prefiere emplear turbinas axiles, ya que permiten un mejor reparto del salto de presión entre la turbina que mueve el compresor y la de potencia, son menos sensibles a las variaciones de velocidad y pueden regularse mejor.
En los motores alternativos, las máximas temperaturas se alcanzan durante breves instantes, mientras que, a la entrada de la turbina, el flujo es continuo, Los alabes alcanzan la misma temperatura que el fluido y deben estar hechos de aleaciones especialmente resistentes a las temperaturas elevadas (por ejemplo, Nimonic), a base generalmente de níquel, cromo y cobalto, o niobio.
El estator de las turbinas puede estar construido de manera que los alabes sean orientables. Esta solución presenta numerosas ventajas. Ante todo, permite obtener cierto freno motor invirtiendo la dirección de los gases, de manera que quede obstaculizada la rotación de la turbina. Evidentemente, en los sistemas de dos ejes, el estator regulable se hallará en la turbina de potencia. Además, permite adecuar el ángulo de salida de la tobera a la velocidad de rotación, de manera que la incidencia sobre los alabes móviles sea siempre la adecuada, y hace posible una regulación de la potencia actuando sobre el caudal de aire, limitando las variaciones de la temperatura en la cámara de combustión.
La curva del par motor de una turbina es distinta para los sistemas de uno y dos ejes. En los primeros, la velocidad del compresor está relacionada con la velocidad del árbol de transmisión y tanto el caudal de aire como la relación de compresión se resienten negativamente de esta limitación. El par motor aumenta casi proporcionalmente, desde el régimen mínimo, que es algo menor que la mitad del máximo, con este último. Comparando esta curva con la de un motor alternativo, se ve que la segunda es mucho más favorable para la propulsión.
En cambio, en los sistemas de dos ejes, el grupo generador de gas, es decir, el grupo montado en el primer eje, puede girar al número de revoluciones más conveniente para obtener el caudal de aire deseado. Al mínimo no es preciso desembragar la transmisión; la turbina de potencia puede permanecer detenida mientras el generador gira a su velocidad de automantenimiento. En el arranque se tiene el máximo par motor, con la condición de que el generador de gas haya alcanzado su velocidad máxima. La característica de par, obtenida a un número de revoluciones constante del compresor, y también con una temperatura de entrada en la turbina constante, posee una forma similar a la de un convertidor hidrodinámico de par (ello no debe sorprender, ya que el mecanismo de intercambio de trabajo es el mismo) y, por tanto, es mucho más favorable que la de un motor alternativo.
Sin embargo, las posibilidades de aceleración no están determinadas únicamente por la forma de la curva de par motor. Cuando un motor de encendido por chispa trabaja a potencia reducida a determinado número de revoluciones, es decir, en un punto del plano potencia-par que se encuentra por debajo de la curva de plena apertura, y se abre bruscamente la mariposa, responde con rapidez, ya que en unas pocas centésimas de segundo consigue dar el par motor que se lee en la curva de par a plena apertura y al número de revoluciones considerado
Las turbinas de gas no pueden responder con tanta rapidez. Una máquina de un eje, regulada mediante el caudal de combustible, se encuentra en condiciones realmente difíciles. Aumentando de improviso la cantidad de combustible inyectada, aumenta la temperatura de entrada en la turbina; pero, como la sección de paso siempre es la misma, tiende a pasar un caudal menor, causando un aumento de la presión en la cámara de combustión. Por otro lado, el compresor, al notar detrás de él una contrapresión, requiere una sobre-potencia que la turbina no puede suministrarle rápidamente. La aceleración es muy difícil y se caracteriza por una disminución temporal del caudal y por un notable aumento de la temperatura de entrada en la turbina. Si la maniobra es muy brusca, puede llegarse al bloqueo del compresor, y la máquina tenderá a pararse, o puede alcanzarse incluso el bombeo. En la mejor de las hipótesis, se precisa de más de un segundo para que la turbina consiga dar un par superior.
La situación es más favorable en los sistemas de dos ejes, en los que el retraso en la respuesta queda determinado esencialmente por el tiempo empleado por el generador de gas en alcanzar su velocidad máxima. La presencia de estatores de incidencia variable mejora la recuperación de la turbina.
Sea cual fuere la configuración del motor, siempre resulta necesario un regulador automático especial para controlar la temperatura a la entrada y, eventualmente, para situar correctamente el estator de geometría variable.
La puesta en marcha de una turbina de gas es sencilla: basta lanzar el compresor. Cuanto más baja sea la temperatura, menos trabajo requerirá el compresor y tanto más fácil será la puesta en marcha.
El consumo es una de las peores características de las turbinas de gas. El rendimiento de la máquina aumenta con la relación de compresión (mucho hasta las relaciones en torno a 7:1 y menos para valores más altos), pero, sobre todo, al aumentar la temperatura de entrada en la turbina, que es precisamente la característica de funcionamiento sometida a unos límites más rigurosos. A potencias reducidas, el rendimiento baja mucho al disminuir la compresión; empeorando aún más las cosas, fuera del régimen y del caudal de aire óptimos, se reducen los rendimientos de la turbina y del compresor.
A pesar de la ausencia de pérdidas por rozamiento mecánico, el consumo específico de las turbinas, ya superior al de los motores alternativos a la máxima potencia, aumenta mucho más al disminuir la carga. Para aumentar el rendimiento puede elevarse la temperatura en la turbina o bien adoptar la regeneración.
La primera solución requiere el empleo de materiales costosos y la adopción de la refrigeración de los alabes, que sólo es conveniente en instalaciones fijas o muy sofisticadas. La regeneración se funda en el hecho de que las temperaturas de escape de la turbina siempre son muy superiores a las temperaturas de salida del compresor. En este caso, puede recuperarse una parte del calor de los humos para calentar el aire antes de la entrada en la cámara de combustión, ahorrando así la cantidad de combustible que sería necesaria para ceder al aire el calor recuperado.
Los regeneradores pueden ser de dos tipos: fijos o rotativos. Los primeros son unos intercambiadores de superficie normales. En cambio, los segundos están constituidos por una matriz, metálica o cerámica, que es porosa y desarrolla la máxima superficie con el mínimo volumen. Dicha matriz, en forma de disco o de tambor anular, posee una lenta rotación y sobre ella inciden alternativamente los gases calientes y los fríos, acumulando el calor que torna de los primeros y lo cede a los segundos.
Los intercambiadores rotativos son netamente superiores a los fijos, ya que son más ligeros y menos voluminosos. Si se quiere obtener una turbina de consumo aceptable, en el sentido de que sea comparable al de un motor alternativo, no puede pensarse en prescindir del regenerador. Sin embargo, las turbinas que lo poseen tienen unas dimensiones algo mayores que las de un motor de encendido por chispa de potencia similar, además de un peso no tan favorable.
La adopción del regenerador mejora el rendimiento incluso a potencias reducidas y atenúa la influencia de la relación de compresión en el consumo. Por encima de cierto límite, resulta contraproducente aumentar la relación de compresión.
Las reducidas emisiones contaminantes de las turbinas de gas mantienen el interés por el desarrollo de este tipo de motores, por otro lado muy perjudicado, con relación a las máquinas alternativas, debido a sus costes y rendimientos.
Como la combustión se produce con un gran exceso de aire y no existen normas estrictas con relación al diseño de la cámara de combustión, se consiguen gases de escape carentes de monóxido de carbono e hidrocarburos sin quemar. Por desgracia, precisamente debido a los excesos de oxígeno, se tiene la formación de óxidos de nitrógeno, NO2. Como es prácticamente imposible suprimirlos, no queda más remedio que impedir su formación. Por tanto, hay que actuar en la zona primaria de la combustión con el fin de reducir la temperatura de la llama y el tiempo de permanencia. A este respecto puede debilitarse la mezcla en la zona primaria, pero con el riesgo de provocar inestabilidad de la llama. Finalmente, puede reducirse la temperatura del aire primario captándolo en un punto antes del regenerador.
Sin embargo, cuando se supere este problema, ¿se construirán realmente automóviles de turbina? El problema de los consumos se halla casi resuelto, al menos en el sentido de que las turbinas más perfeccionadas consiguen consumir a regímenes constantes casi lo mismo que un motor de encendido por chispa.
Queda el problema de los costes. Mientras no se ponga en marcha una producción en serie, no podrá decirse cuál será la diferencia de costes entre una turbina y un motor alternativo. Ciertamente, las unidades de mayor potencia (que, entre otras cosas, alcanzan unos rendimientos mayores), destinadas a su empleo en vehículos industriales, pueden costar lo mismo que un motor Diesel de potencia similar, si no menos, y poseen un coste de mantenimiento más reducido. No puede decirse lo mismo de las unidades más pequeñas. En cualquier caso, los automóviles de turbina constituyen una alternativa de interés sólo para potencias superiores a 150 CV. Si para un automóvil medio con un peso de 1.000-1.100 kg son más que suficientes unas potencias instaladas de 80-100 CV, y cualquier exceso de potencia, por encima de estos valores, no se traduce en unas prestaciones aprovechables de una forma útil, sino sólo en un derroche inútil de combustible (ya con los motores de encendido por chispa), no parece que la turbina tenga perspectivas de éxito en los coches. Más prometedor es su empleo para vehículos industriales.

Etiquetas: t
Visitas: 13991
Compártelo:
Donde aparezca alguna de las palabras
Donde aparezcan todas las palabras
Donde aparezca la frase exacta

v.03.10:0,615
GestionMax

versión móvil

Uso de cookies

Utilizamos cookies propias y de terceros para mejorar la experiencia de navegación y ofrecer contenidos y publicidad de interés. Al continuar con la navegación entendemos que se acepta nuestra política de cookies. Aceptar