thumb|Ventilador de escritorio Westinghouse antiguo; fácilmente se puede identificar que es una turbomáquina. Obsérvese que intercambia energía con el aire que impulsa y que su parte principal es una rueda con palas. Una turbomáquina es un mecanismo que establece un intercambio energético con una corriente fluida mediante la acción combinada de elementos fijos y elementos giratorios (el origen del vocablo turbo es latino y significa remolino). La transferencia de energía puede ser en ambos sentidos, si la máquina incrementa la energía del fluido se trata de una bomba hidráulica o compresor o si la máquina extrae energía del fluido se trata de una turbina. A diferencia de las máquinas volumétricas o de desplazamiento positivo, las turbomáquinas funcionan de manera continua, es decir, se trata de sistemas abiertos en los que la corriente fluida es continua.
Si bien la presencia del elemento giratorio es imprescindible para que la transferencia de energía sea posible entre máquina y fluido, los elementos fijos pueden no estar presentes en algunos tipos de turbomáquina como en los ventiladores. Sin embargo, en la mayoría de los casos, la presencia y forma de los elementos fijos es esencial para que la máquina cumpla su tarea.
Conceptos básicos
Triángulo de velocidades En el lenguaje de las turbomáquinas se habla de triángulo de velocidades para referirse al triángulo formado por tres vectores los cuales son: thumb|200px|Triángulo de velocidades. +SímboloNombreVelocidad absoluta del fluidoVelocidad relativa del fluido respecto al rotorVelocidad lineal del rotor Estos tres vectores forman un triángulo ya que la suma en un mismo punto es igual a en ese punto por leyes del movimiento relativo de la mecánica clásica (transformación de Galileo o composición de velocidades).
El ángulo entre los vectores y es denotado y el ángulo entre los vectores y es denotado . Esta nomenclatura será utilizada a través de todo este artículo y es norma DIN 1331.
Clasificación
Las turbomáquinas pueden clasificarse de acuerdo a varios criterios como funcionamiento, composición o sentido de flujo de la energía.
De acuerdo con el sentido del flujo de energía Motoras: La energía es entregada por el fluido a la máquina, y esta entrega trabajo mecánico. La mayoría de las turbomáquinas motoras son llamadas «turbinas», pero dentro de este género también entran los molinos de viento. Posteriormente la energía mecánica puede ser transformada en otro tipo de energía, como la energía eléctrica en el caso de las turbinas eléctricas. Generadoras: La energía es entregada por la máquina al fluido, y el trabajo se obtiene de este. En este género entran las bombas, sopladores, turbocompresores, ventiladores, y otros.
De acuerdo con la forma que presenta el fluido proyectado a través del rotor thumb|180px|Turbina Pelton, esta es una turbomáquina transversal de admisión parcial.
Radial: Si la trayectoria que sigue el fluido es principalmente perpendicular al eje de rotación (centrífugas o centrípetas según la dirección de movimiento). Ej: Turbina Francis. Axial: Cuando la trayectoria del fluido es fundamentalmente paralelo al eje de rotación. Ej: Turbina Kaplan. Diagonal: Flujo diagonal al eje de rotación.
De acuerdo con el tipo de fluido que manejan Térmicas: Cuando el cambio en la densidad del fluido es significativo dentro de la máquina, como en compresores. Hidráulicas: Cuando el cambio en la densidad del fluido no es significativo dentro de la máquina, como en bombas o ventiladores.
De acuerdo con el cambio de presión en el rotor Acción: no existe un cambio de presión en el paso del fluido por el rotor. Ej: Turbina Pelton. Reacción: existe un cambio de presión en el paso del fluido por el rotor. Ej: Turbina Francis, turbina Kaplan.
De acuerdo con el tipo de admisión o emisión Total: todo el rotor es tocado por el fluido de trabajo. Parcial: no todo el rotor es tocado por el fluido de trabajo.
Partes de una turbomáquina thumb|350px|Una turbina Kaplan es una turbomáquina motora hidráulica de flujo axial. Véase en rojo las partes rotativas entre las que se encuentra, en este caso, un generador eléctrico. Una turbomáquina consta de diversas partes y accesorios dependiendo de su tipo, aplicación y diseño. Por ejemplo un ventilador puede ser una turbomáquina que sólo conste de un árbol, motor, rotor y soporte, mientras que un compresor centrífugo o una bomba semi-axial puede tener muchas partes que incluso no comparta con las demás turbomáquinas existentes. Sin embargo, la mayoría de las turbomáquinas comparten el hecho de tener partes estáticas y rotativas; y dentro de estos conjuntos puede haber diversos elementos los cuales muchas turbomáquinas comparten y una enumeración competente puede ser la siguiente:
Partes rotativas Rodete El Rodete es el corazón de toda turbomáquina y el lugar donde aviene el intercambio energético con el fluido. Se suelen emplear los índices 1 y 2 para establecer la entrada y salida del rodete. Está constituido por un disco que funciona como soporte a palas, también llamadas álabes, o cucharas en el caso de las turbinas Pelton. La geometría con la cual se realizan los álabes es fundamental para permitir el intercambio energético con el fluido; sobre éstas reposa parte importante del rendimiento global de toda la turbomáquina y el tipo de cambio energético generado (si la energía será transferida por cambio de presión o velocidad). Los tipos de rotores pueden ser axiales, radiales, mixtos o tangenciales, para su fácil identificación y distinción se hace uso de representaciones por proyección específicas.
Eje o árbol
Tiene la doble función de trasmitir potencia (desde o hacia el rotor) y ser el soporte sobre el que yace el rotor. En el caso de las turbomáquinas motoras este siempre se encuentra conectado a alguna clase de motor, como puede ser un motor eléctrico, o incluso una turbina como es común en los turborreactores, muchas veces entre el árbol y el motor que mueve a la turbomáquina se encuentra algún sistema de transmisión mecánica, como puede ser un embrague o una caja reductora. En el caso de las turbomáquinas generadoras, es frecuente encontrar un generador eléctrico al otro extremo del árbol, o incluso hay árboles largos que soportan al rotor en el medio y en un extremo se encuentra una turbomáquina generadora y al otro un generador.
Partes estáticas Al conjunto de todas las partes estáticas de la turbomáquina (y en otras máquinas también) se le suele denominar estator.
Entradas y salidas Estas partes son comunes en todas las turbomáquinas, pero pueden variar de forma y geometría entre todas. Existen turbomáquinas generadoras de doble admisión, es decir, que tienen dos entradas diferenciadas y una salida única de fluido. Estas partes pueden constar de una brida en el caso de la mayoría de las bombas y compresores, pero en las turbinas hidráulicas grandes, sólo son grandes tuberías y la salida muchas veces tiene forma de difusor. En los molinos de viento, por ejemplo, la entrada y la salida sólo pueden ser superficies imaginarias antes y después del rotor. El distribuidor, es el órgano cuya misión es conducir el fluido desde la sección de entrada hacia el rodete. Se suelen utilizar los índices 0 y 1 para designar las magnitudes a la entrada del distribuidor y a la salida (entrada en el rodete). Por otro lado, el difusor es un elemento que se encuentra a la salida del rodete y que disminuye la velocidad del fluido, además de acondicionar hidráulicamente el fluido para su conducción.
Álabes directores También llamados palas directoras, son álabes fijos al estátor, por los cuales pasa el fluido de trabajo antes o después de pasar al rotor a realizar el intercambio energético. Muchas turbomáquinas carecen de ellos, pero en aquellas donde si figuran éstos son de vital importancia. En las turbomáquinas motoras se encargan de dirigir el fluido en un cierto ángulo, así como acelerarlo para optimizar el funcionamiento de la máquina. En las turbomáquinas generadoras se encuentran a la salida del rotor. Los álabes directores también pueden llegar a funcionar como reguladores de flujo, abriéndose o cerrándose a manera de válvula para regular el caudal que entra a la máquina.
Cojinetes, rodamientos o rolineras Son elementos de máquina que permiten el movimiento del eje mientras lo mantienen solidario a la máquina, pueden variar de tipos y tamaños entre todas las turbomáquinas. Sellos
Son dispositivos que impiden la salida del fluido de la turbomáquina. Cumplen una función crítica principalmente en los acoplamientos móviles como en los rodamientos. Pueden variar de tipos y ubicación dentro una turbomáquina a otra.
Intercambio de energía entre el fluido y la turbomáquina Cuando el fluido de trabajo pasa a través de la turbomáquina la naturaleza del intercambio de energía es muy compleja debido a la cantidad de procesos termodinámicos irreversibles que ocurren, además de la naturaleza complicada y muchas veces caótica del movimiento del fluido en el seno del rotor. Para obtener una primera consideración de este intercambio energético se deben hacer consideraciones teóricas sobre la naturaleza del fluido y su comportamiento a través del rotor, esto con la finalidad de simplificar el modelado matemático del fluido en su paso por el rotor. El fluido que pasa por el rotor es un fluido potencial. Todas las líneas de corriente tienen la misma forma que cada uno de los álabes o paletas del rotor, esto sería equivalente a decir que el rotor tiene un «infinito» número de álabes. Las características del régimen de flujo no varían en el tiempo, es decir, el flujo se encuentra completamente desarrollado, o en otras palabras, nos encontramos en régimen permanente.
Una vez declaradas estas simplificaciones podemos aludir a las leyes de conservación de la mecánica y a la ecuación de transporte de Reynolds de manera sencilla; pero dependiendo de la trayectoria del flujo de fluido a través del rotor las formulaciones serán distintas.
Turbomáquinas generadoras Turbomáquinas radiales thumb|180px|Cinemática de una turbomáquina radial generadora. Conservación de la cantidad de movimiento lineal: Las fuerzas que actúan sobre el volumen de control son debidas a las presiones en la entrada y en la salida del rotor, si éstas se consideran iguales en toda la salida e iguales en toda la entrada, entonces las fuerzas lineales quedan anuladas por cuestión de simetría. Conservación de la cantidad de movimiento angular: En este caso se define la propiedad extensiva momento angular como , y su análoga propiedad intensiva será , donde es el campo vectorial de velocidades y un radio vector desde la referencia hasta cada diferencial de masa .
La ecuación de transporte de Reynolds relaciona el cambio de momento angular en el tiempo, que por leyes de la mecánica es igual a la suma de momentos aplicados, con su análoga propiedad intensiva que definimos arriba de la siguiente manera:
Como se supone que la situación es de flujo estable, ningún término depende del tiempo, por lo cual el primer sumando del lado derecho de la ecuación se hace cero. El siguiente sumando es una integral que se evalúa en toda la superficie de control y se supondrá que el rotor es de una turbomáquina generadora:
el vector puede escribirse en coordenadas cilíndricas como lo que permite llegar a la siguiente expresión:
Por las suposiciones anteriores se puede considerar a la velocidad independiente de y de ya que todas las líneas de corriente son iguales; esto permite evaluar estas integrales así:
Donde es el grueso del rotor. Como el régimen es estable se cumple que la misma masa que entra sale, es decir . Esta integral representa el producto de la densidad del fluido por el área en la que evaluamos la integral por la componente de la velocidad normal a esta área, por lo tanto si es el flujo másico que circula a través del rotor se puede escribir: