Turbomaquinas

UNIDAD 5
Turbinas radiales. Turbomáquinas hidráulicas: bombas y turbinas hidráulicas

1. Turbina radial
1.1 General
La turbina radial es físicamente muy similar al compresor centrífugo. La Figura 5.1 muestra el
esquema general de la turbina:

Figura 5.1: Turbina radial (Wilson)
La Figura 5.2 muestra el aspecto de la salida de una turbina radial para gases calientes:

Figura 5.2:Turbina radial para gases calientes (Wilson)
Las principales diferencias físicas son la mayor área de salida (ya que los gases se expanden), y los
materiales de construcción: estas turbinas pueden trabajar con gases a muy altas temperaturas, incluyendo

43

gases en combustión (llamas), por lo que están construídas con aleaciones de alta resistencia al calor y sus
efectos (creep).
Comparandocon la turbina axial, este tipo de turbinas tiene las ventajas de su robustez y de admitir
el arribo del fluído por un conducto, y las desventajas de su baja eficiencia y comparativamente gran
diámetro.
En ocasiones estas turbinas han sido usadas para pequeñas turbinas a gas: el primer turborreactor,
fabricado en Alemania en los años 30, constaba de compresor y turbina radiales; algunas turbinasa gas
descartables (para blancos de artillería y misiles crucero) también han usado turbinas radiales. Sin embargo
hoy en día son usadas casi exclusivamente como parte de los turbocompresores para motores de combustión
interna sobrealimentados.
1.2 Turbocompresores para motores de CI
El turbocompresor consiste en una turbina radial que aprovecha la energía remanente en los gases de
escapepara mover un compresor centrífugo. El compresor alimenta los cilindros del motor con aire (ciclo
Diesel) o mezcla aire-combustible (ciclo Otto) a alta presión, aumentando la carga y la potencia del motor.
Las Figuras 5.3 y 5.4 ilustran el aspecto general y el esquema de un turbocompresor para motores de
CI:

Figura 5.3: Vista general de un turbocompresor

Figura 5.4: Esquema de unturbocompresor
1.3 Funcionamiento. Diagramas de velocidades
El fluído ingresa por una voluta caracol similar a la del compresor centrífugo, para alimentar la
periferia uniformemente. Luego pasa por una corona de paletas similar al difusor de paletas del compresor
centrífugo, donde adquiere una componente radial y se acelera (toberas). La velocidad absoluta de entrada al
rotor se indica en la Figura5.5 como C1 :

44

Figura 5.5: Diagramas de velocidades (Shepherd)
La velocidad relativa del flujo es W 1 , que es generalmente paralela a las paletas, aunque en la figura
se indica ligeramente retrasada. En una situación similar a la del compresor centrífugo, la primera parte del
canal del rotor (la entrada radial) sólo sirve para recibir el flujo sin pérdidas por choque y guiarlo alinterior
del canal. Contrariamente a lo que pudiera parecer, el flujo entrante no impulsa a las paletas.
A medida que el flujo se mueve hacia el interior del canal se acerca al eje en dirección radial. Según
la ley de conservación de la cantidad de movimiento angular, tenderá a acelerarse, moviéndose con una
velocidad periférica mayor que la del rotor. Sin embargo, la presencia de las paletas impideesta aceleración, y
el flujo ejerce presión sobre la cara más avanzada en la dirección de movimiento (cara de presión). Esta
presión, y la correspondiente menor presión en la otra cara de la paleta, desarrollan la fuerza sobre la paleta, y
subsecuente torque y potencia en el eje.
El flujo luego es obligado a girar para tomar la dirección axial, y llega al exductor (correspondiente
alinductor del compresor centrífugo). La función del exductor es impartir al flujo una componente tangencial
igual y opuesta a la velocidad periférica, a fin de que salga del rotor con una velocidad absoluta perfectamente
axial. Contrariamente a lo que pudiera suponerse, la forma del exductor no implica que se produzca impulsión
de la rueda por el chorro de gases. El torque se obtiene de la presión...