Me decido a escribir esta serie de posts por una simple razón, desde niño las turbinas de los aviones eran algo que siempre me fascinaban y que había querido entender y profundizar en ello. Pero, cada vez que buscaba información por Internet me ocurría lo mismo, me encontraba páginas en las que ponían una foto bonita y se pasaba muy por encima, sin saber qué era lo que de verdad ocurría, sin saber cómo funcionaban por dentro, trataban las turbinas como cajas negras, en las que entra aire y combustible y salen gases muy rápido, así que me dispongo a escribir una serie de posts bastante técnicos que desgranen su funcionamiento.
Más allá del pequeño clickbait del título, este post no es solo sobre las turbinas de avión, sino sobre las turbomáquinas térmicas. Técnicamente, las turbomáquinas térmicas son dispositivos en los que se intercambia trabajo como resultado de variaciones en la entalpía y en la energía cinética de un fluido compresible que pasa a través de un sistema de álabes solidarios a un eje que puede girar libremente. Y esto, ¿qué quiere decir? Las turbomáquinas consisten en un conjunto de elementos mecánicos de flujo continuo (no tienen compartimentos como tendría el motor de un coche, que tiene cilindros) por el que circula un fluido (como podría ser el aire o el vapor) sobre el que se produce un proceso de combustión y, posteriormente, se extrae la energía de este proceso.
Todas las turbomáquinas térmicas, bien sean turbinas de gas, utilizadas en los aviones, o turbinas de vapor, utilizadas para generar electricidad, tienen tres etapas: compresión, combustión y expansión. El porqué se realiza así es muy sencillo, y ya lo expliqué en un post anterior, pero un recordatorio rápido es que obtendremos más potencia cuanto más combustible quememos, y para quemar más combustible necesitamos más aire, por lo que se comprime para que entre más aire en las cámaras de combustión (o intercambiadores). En cuanto a la etapa de expansión, es algo particular de las turbomáquinas térmicas y es que es así como se extrae la energía mecánica de la combustión.
Por particularizar un poco, y es algo que veremos más adelante, la etapa de compresión nos cuesta energía, es decir, comprimir un fluido no es gratis, hay que ejercer un trabajo para ello. Este trabajo se obtiene de la etapa de expansión tras haber acelerado el fluido gracias a la combustión (u otro proceso en el caso de las turbinas de vapor). En el caso de los aviones, la etapa de extracción es pequeña, ya que la única energía que queremos extraer para el eje es la que compense la energía consumida en la etapa de compresión. Esto se debe a que el movimiento de los aviones se obtiene gracias a la expulsión de los fluidos a altas velocidades por el final del motor. En el caso de una turbina de la cual queremos obtener energía para alimentar la red eléctrica (por ejemplo) lo que querremos será que el eje de nuestra turbina tenga la mayor energía posible, por lo que se intentará extraer la máxima energía del proceso de expansión.
Hecha esta pequeña introducción muy general, vamos a adentrarnos en las etapas de combustión y expansión. Os dejo en la imagen de abajo un esquema general del interior de una turbina de gas. Como veis en ella, existen distintitos “discos” en la compresión y en la expansión. Estos “discos” son escalonamientos, o etapas; y, para calcularlos, se hace uso de dos herramientas fisico-matemáticas: el triángulo de velocidades y el Ciclo de Brayton.
Hoy me dispongo a explicaros solo la primera de ellas: el triángulo de velocidades. El triángulo de velocidades analiza cómo varían las velocidades en cada etapa de la compresión y la expansión. Para poder entenderlo, primero debemos definir un elemento básico de las matemáticas y de la física: los vectores. Los vectores no son nada más que flechas que nos indican el tamaño de una magnitud y su dirección. En este caso, los utilizaremos para describir el fluido que circulo por el seno de nuestras etapas de compresión y expansión.
Comencemos por el triángulo de velocidades del compresor. Una etapa de compresión está formada por el rotor y el estator. Rotor y estator tienen álabes dispuestos alrededor de ellos, que son los que realizarán la compresión gracias al movimiento del rotor. El aire pasa primero por el rotor, alimentado exteriormente, para después pasar por el estator.
En el triángulo de velocidades aparecen tres velocidades. La velocidad relativa (flecha verde), que es la velocidad a la que entra el aire en la etapa; la velocidad de arrastre (flecha negra), que será la velocidad tangencial a la que gira el rotor y la velocidad absoluta (flecha roja), que es la suma de las dos velocidad anteriores y es la velocidad real a la que se desplaza el aire.
En la etapa de compresión, se pone el rotor en movimiento accionándolo desde el exterior y los álabes en movimiento empujan el aire hacia el interior de la máquina. Una vez el aire ha sido impulsado por el rotor, al circular el aire por los álabes, se frena y aumenta su presión. En el triángulo de velocidades esto no se acaba de entender bien, ya que nos falta la otra herramienta, el ciclo de Brayton, lo importante es que seamos capaces de observar cómo varían las velocidades que forman el triángulo.
Una vez entendido el triángulo de velocidades de la etapa de compresión, el de la etapa de expansión se realiza de manera análoga.
En la etapa de expansión, al contrario que en la etapa de compresión, el aire pasa primero por el estator y posteriormente por el rotor.
No vamos a entrar en el cálculo matemático de las velocidades, al menos por ahora, pero si que me gustaría decir que dependen de la geometría de los álabes (que nos dan para un post entero), siendo clave parámetros como el ángulo de ataque o el ángulo de salida, y la velocidad de giro del rotor.
Las diferencias claves entre la etapa de compresión y la etapa de expansión son dos. En la etapa de compresión el aire se comprime (aumenta su presión) y en la etapa de expansión el aire se expande (baja su presión), para ello en la etapa de compresión consumimos energía (por eso el aire pasa primero por el rotor que es accionado de manera externa) y en la etapa de expansión obtenemos energía (por eso el aire pasa primero por el estator y después es el propio aire el que mueve al rotor).
En el próximo post veremos la explicación del ciclo de Brayton, dónde observaremos los intercambios energéticos de nuestro sistema. Hasta entonces os recomiendo que le echéis un ojo al canal de YouTube de Integz, un tío que se dedica a hacer auténticas maravilla con todo tipo de turbomáquinas térmicas.
Espero que os haya gustado el post de esta semana y como siempre os digo (y más después de este post técnico), si tenéis alguna duda o pensáis que hay algo incorrecto podéis hablarme a través de Twitter o correo electrónico.