Máquinas de Fluidos: Clasificación, Funcionamiento y Comparativa de Turbinas

Máquinas de Fluidos

Las máquinas de fluidos son dispositivos que permiten la transferencia de energía entre una máquina y un fluido. Esta energía puede ser suministrada por la máquina al fluido o viceversa.

Clasificación según Funcionamiento

1. Máquinas de Desplazamiento Positivo: Funcionan mediante la variación del volumen de trabajo, como las máquinas volumétricas de émbolo y las rotativas.
2. Turbomáquinas: Son máquinas rotodinámicas donde el intercambio de energía se debe a la variación del momento cinético del fluido al pasar por los conductos de un órgano rotativo con álabes, llamado rodete.

Clasificación según Sentido de Intercambio de Energía

1. Turbomáquinas Motoras: El fluido restituye energía a la máquina (ej. turbinas hidráulicas).
2. Turbomáquinas Generadoras: El fluido absorbe energía de la máquina (ej. bombas, ventiladores, compresores).

Clasificación según Compresibilidad del Fluido

1. Turbomáquinas Hidráulicas: Utilizan fluidos incompresibles (ej. bomba de agua).
2. Turbomáquinas Térmicas: Utilizan fluidos compresibles (ej. compresor de aire).

Clasificación según Dirección del Flujo en el Rodete

• Radiales: Bomba centrífuga.
• Diagonales: Turbina Francis.
• Axiales: Turbina Kaplan.
• Tangenciales: Turbina Pelton.

Bombas Rotodinámicas

Las bombas, ventiladores y compresores son turbomáquinas hidráulicas generadoras. Su funcionamiento se describe mediante la Ecuación de Euler.

• Bombas Centrífugas: Dirección del flujo radial, alta presión (AP) y caudal (Q) pequeño.
• Bombas Axiales: Dirección del flujo axial, AP pequeño y Q grande.

Clasificación de Bombas

• Según la dirección del flujo en el rodete: radiales, diagonales, axiales.
• Según el número de escalonamientos: simples, compuestas.
• Según el número de flujos: 1 flujo, 2 flujos.
• Según el tipo de difusor: con o sin corona fija, álabes, cámara espiral.
• Según la posición del eje: horizontal, vertical, inclinado.
• Según la altura (H) o presión (P) suministrada: baja, media, alta presión.
• Según el tipo de accionamiento: gasolina, diésel.

Elementos Constitutivos de las Bombas

• Rodete: Órgano que imparte energía al fluido.
• Cámara: Carcasa que guía el líquido desde la brida al rotor y la salida.
• Difusor: Convierte la energía cinética en energía de presión.

Operación de Bombas

Arranque y Parada: El arranque requiere cebar la bomba, llenando la tubería de aspiración y el cuerpo de la bomba con líquido. La parada debe ser progresiva para evitar el golpe de ariete. Es crucial evitar la presencia de aire durante el funcionamiento.

Turbinas Hidráulicas

Las turbinas hidráulicas son turbomáquinas hidráulicas motoras. Su funcionamiento se describe mediante la Ecuación de Euler.

• Turbinas Diagonales: Francis.
• Turbinas Axiales: Kaplan, hélice, tubulares.
• Turbinas de Flujo Mixto: Deriaz.
• Turbinas Tangenciales: Pelton, Turgo, Michell-Banki.

Clasificación de Turbinas

Según el tipo de energía que aprovechan:

• Turbina de Acción: Aprovecha la energía cinética (ej. Pelton, Turgo, Michell-Banki). GR = 0.
• Turbina de Reacción: Aprovecha la energía de presión (ej. Francis, Kaplan, hélice, Deriaz, tubulares). GR = 1.

Elementos Constitutivos de las Turbinas Hidráulicas

• Voluta
• Distribuidor
• Rodete
• Difusor

Tipos Específicos de Turbinas

Turbina Deriaz

• Turbina semiaxial de reacción.
• Saltos de mediana altura (20 - 400 m).
• Potencia unitaria de hasta 300 MW.
• Máquina reversible.

Turbina Kaplan y Hélice

• Turbinas axiales de reacción.
• Saltos de pequeña altura (< 50 m).
• Caudales grandes (> 15 m³/s).
• Turbina Kaplan con álabes orientables, hélice con álabes fijos.

Turbina Tubular

• Turbinas axiales de reacción (Bulbo, tipo S, Straflo).
• Saltos de pequeña altura (2 - 20 m).
• Baja potencia generada (0,1 - 40 MW).
• Sin cámara espiral, distribuidor cónico.

Turbina Francis

• Turbina de reacción, semiaxial o de flujo mixto.
• Saltos de mediana a gran altura (30 - 750 m).
• Caudales intermedios (< 15 m³/s).
• Buenos rendimientos (88 - 93%).

Clasificación de Turbinas Francis

• Por tipo de instalación: Cerrada (tubería forzada) o abierta (cámara de agua).
• Por número de flujo: Simples o gemelas.
• Por disposición del eje: Horizontal o vertical.
• Por la altura del salto: Alta presión (> 80 m) o baja presión (< 80 m).
• Por la velocidad específica (ns): Lenta, normal, rápida, exprés.

Turbina Pelton

• Turbina de acción pura, tangencial.
• Saltos de gran altura (> 200 m).
• Baja potencia generada (0,1 - 15 MW).
• Regulación de caudal por control del inyector.

Comparativa de Turbinas

• Kaplan vs Francis: Kaplan mejor ante variaciones de carga, rinde mejor a cargas parciales.
• Deriaz vs Francis: Deriaz menor volumen de excavación, menor diámetro que Kaplan, admite más sobrecarga.
• Bulbo vs Kaplan: Bulbo mayor caudal, menores dimensiones.
• Turgo vs Pelton: Turgo más eficiente, menor diámetro a igualdad de potencia.
• Michell-Banki: Buen rendimiento a cargas parciales, ideal para mini y micro centrales.

Francis vs Pelton: Francis menor volumen de excavación, infraestructura más sencilla, más robustas, mejor rendimiento a carga parcial, no cavitación.