¿Cómo se hace una turbina?

Question

¿Cómo funciona realmente una turbina que produzca energía eléctrica?

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Answer 1

Para todos aquellos interesados en esta fabulosa forma de propulsión voy a explicar en la forma más sencilla posible como es que funciona una turbina, para ello me voy a basar en la forma más simple de turbina, la que posee una sola etapa de compresión y una sola etapa de turbina, a continuación describiré cada componente por separado


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: la corriente de aire que atraviesa el compresor lo hace en el sentido del eje (de ahí el nombre de axial), consta de varios discos giratorios (llamados etapas) en los cuales hay una serie de "palas" (alabes), entre cada disco rotor hay un disco fijo (estator) que tiene como función dirigir el aire con el ángulo correcto a las etapas rotoras.

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, si bien algunos han construido turbinas con compresor axial, por el momento están fuera del alcance de la mayoría

Radial o Centrifugo: la corriente de aire ingresa en el sentido del eje y sale en sentido radial, consta de un solo disco con alabes en una o ambas caras, es el compresor universalmente utilizado en las micro turbinas por ser fácil de obtener (proveniente de un turbo compresor de auto) y balancear, es mucho más resistente que el axial pero como desventaja es mas pesado y tiene un área frontal mayor

Diagonal: es una cruza entre los dos anteriores, es prácticamente anecdótico puesto que salvo en los primeros intentos de construir micro-turbinas no se ha utilizado

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., en su interior se colocan los cojinetes que soportan el eje estos deben tener adecuada refrigeración y lubricación para que sobrevivan las tremendas velocidades de rotación a las que son sometidos, actualmente y para cualquier aplicación por encima de las 100000 R.P.M. se recomienda usar rodamientos sin jaula con bolillas cerámicas

DIFUSOR:

Tiene como misión cambiar la velocidad de la corriente de aire que viene del compresor para aumentar la presión. Consta de una serie de pasajes que se ensanchan hacia atrás (conductos divergentes), 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, entonces esta parte debe ser diseñada con sumo cuidado para permitir la completa combustión dentro de la longitud de la misma.

Existen varios tipos de cámara de combustión, pero la universalmente utilizada para las micro turbinas es la denominada "anular", como su nombre lo indica tiene la forma de dos anillos concéntricos

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. Esta pieza es la mas expuesta a altas temperaturas que en algunos casos superan los 700 °C por lo tanto se construyen en aleaciones inoxidables para alta temperatura, básicamente consta de una serie de alabes "estatores" que se cierran hacia la parte trasera (conducto convergente), también difieren si son para turbina radial o axial

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, la turbina se halla sujeta a elevadas temperaturas y lo que es peor a elevadas cargas centrifugas que unido a la disminución de resistencia del material por causa de la temperatura hacen que este sea el elemento que mas importancia tiene en cuanto a la elección de materiales, sin excepción se utilizan aleaciones con elevado contenido de níquel y cromo (comercialmente tienen diferentes nombres como ser INCONEL, NIMONIC etc.) aunque en los primeros modelos de turborreactores "caseros" se utiliza acero inoxidable con buenos resultados. 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, este tipo puede ser fabricado con mucha paciencia y Herramientas comunes o con sofisticados sistemas (control numérico, electro erosión, etc.) o bien comprados a diferentes fabricantes para su uso especifico en turbinas de aeromodelismo, aunque su precio no es nada económico
Las radiales: Si bien se utilizan menos (de hecho la primer marca que comercializo turbinas o sea JPX utiliza este tipo) 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 y tal vez como "ventaja" adicional para el constructor amateur es que estas turbinas son las utilizadas por los turbo compresores de auto, lo que las hace mas fáciles de obtener (en cualquier casa que se dedique a turbo cargadores)
El ciclo de funcionamiento es como sigue:

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

Answer 2

Eso depende si es a gas o a vapor, gracias.