Turbinas

Turbinas de impulso y de reacción

Las turbinas funcionan de dos maneras diferentes, descritas como de impulso y de reacción, términos que a menudo se describen de forma muy confusa (y a veces completamente confusa) cuando la gente trata de explicarlos.¿Cuál es la diferencia?

Turbinas de impulso

En una turbina de impulso, se dispara un fluido de movimiento rápido a través de una boquilla estrecha hacia los álabes de la turbina para hacerlos girar. Los álabes de una turbina de impulso suelen tener forma de cubo, por lo que atrapan el fluido y lo dirigen en ángulo o, a veces, incluso lo devuelven por donde vino (porque así se consigue una transferencia de energía más eficaz del fluido a la turbina). En una turbina de impulso, el fluido se ve obligado a golpear la turbina a gran velocidad.

Imagina que tratas de hacer girar una rueda como ésta pateando pelotas de fútbol en sus paletas. Necesitarías que los balones golpearan con fuerza y rebotaran bien para hacer girar la rueda, y esos impulsos constantes de energía son la clave de su funcionamiento. La ley de la conservación de la energía nos dice que la energía que la rueda gana, cada vez que una pelota la golpea, es igual a la energía que la pelota pierde, por lo que las pelotas se desplazarán más lentamente cuando reboten. Además, la segunda ley del movimiento de Newton nos dice que el momento ganado por la rueda cuando una pelota la golpea es igual al momento perdido por la propia pelota; cuanto más tiempo toque la rueda una pelota, y cuanto más fuerte (con más fuerza) golpee, más momento transferirá.

Las turbinas de agua suelen basarse en una turbina de impulso (aunque algunas funcionan con turbinas de reacción). Tienen un diseño sencillo, son fáciles de construir y su mantenimiento es barato, entre otras cosas porque no necesitan estar dentro de una tubería o carcasa (a diferencia de las turbinas de reacción).

Trabajo artístico: Una rueda hidráulica Pelton es un ejemplo de turbina de impulso. Gira mientras uno o varios chorros de agua a alta presión (azul), controlados por una válvula (verde), se disparan hacia los cubos que rodean el borde de la rueda (rojo). Lester Pelton obtuvo una patente por esta idea en 1889, de la que se ha extraído este dibujo.Artwork from US Patent 409,865: Water Wheel by Lester Pelton, cortesía de la Oficina de Patentes y Marcas de Estados Unidos.

Trabajo artístico: Una turbina de impulso como ésta funciona cuando el fluido entrante golpea los cangilones y rebota de nuevo. La forma exacta de los cangilones y el modo en que el fluido los golpea marcan una gran diferencia en la cantidad de energía que puede capturar la turbina. Los cangilones también tienen que estar diseñados para que la acción del chorro en un cangilón no afecte al siguiente.

Turbinas de reacción

En una turbina de reacción, los álabes se encuentran en un volumen mucho mayor de fluido y giran a medida que el fluido pasa por ellos. Una turbina de reacción no cambia la dirección del flujo de fluido tan drásticamente como una turbina de impulso: simplemente gira cuando el fluido empuja y pasa por sus palas.Las turbinas eólicas son quizás los ejemplos más conocidos de turbinas de reacción.

Foto: Una típica turbina de reacción de una central geotérmica.El agua o el vapor pasa por los álabes en ángulo, empujándolos y haciendo girar el eje central al que están unidos. El eje hace girar un generador que produce electricidad.Foto de Henry Price por cortesía del Departamento de Energía de EE.UU./Laboratorio Nacional de Energías Renovables (DOE/NREL).

Trabajo: Una turbina de reacción como ésta se parece mucho más a una hélice. ¡La principal diferencia es que hay más álabes en una turbina (sólo he dibujado cuatro álabes para simplificar) y, a menudo, varios conjuntos de álabes (múltiples etapas), como puedes ver en las fotos de las turbinas de vapor y de gas en la parte superior de esta página.

Si una turbina de impulso es un poco como patear balones de fútbol, una turbina de reacción es más como nadar a la inversa.Déjame explicarte! Piensa en cómo se hace el estilo libre (crawl frontal) arrastrando los brazos por el agua, empezando con cada mano lo más lejos que puedas alcanzar y terminando con un «seguimiento» que lanza el hueco del brazo detrás de ti. Lo que intentas conseguir es mantener la mano y el antebrazo empujando contra el agua durante el mayor tiempo posible, para transferir toda la energía que puedas en cada brazada. Una turbina de reacción utiliza la misma idea a la inversa: imagina que el agua que fluye rápidamente pasa por delante de ti, de modo que hace que tus brazos y piernas se muevan y proporciona energía a tu cuerpo. En una turbina de reacción, lo que se pretende es que el agua entre en contacto con las palas suavemente, durante el mayor tiempo posible, para que ceda la mayor cantidad de energía posible. El agua no golpea los álabes y rebota, como ocurre en una turbina de impulso: en su lugar, los álabes se mueven más suavemente, «siguiendo la corriente».

Las turbinas capturan energía sólo en el punto en el que el fluido las toca, por lo que una turbina de reacción (con múltiples álabes que tocan el fluido al mismo tiempo) extrae potencialmente más energía que una turbina de impulso del mismo tamaño (porque normalmente sólo uno o dos de sus álabes están en la trayectoria del fluido a la vez).

Tipos de turbinas de reacción

Algunos diseños comunes de turbinas de reacción son:

• Wells-que se parece mucho a una hélice, con palas en forma de ala que giran alrededor de un eje horizontal.
• Francis-por lo general, con grandes palas en forma de V, a menudo girando en un eje vertical dentro de una especie de concha de caracol gigante, en espiral. La Francis es, con mucho, el tipo más común de turbina hidráulica; las turbinas McCormick, Kaplan y Deriaz son esencialmente mejoras del diseño original de la Francis.
• Darrieus: con palas en forma de ala que giran alrededor de un eje vertical.

Todas tienen sus ventajas y desventajas. El Wells, por ejemplo, puede girar muy rápido, pero también es ruidoso y relativamente ineficiente. El Francis es más silencioso y eficiente, y muy bueno para hacer frente a las tensiones mecánicas dentro de las presas de la hidroeléctrica profunda (las que tienen altas «cabezas» de agua), pero también es más lento y mecánicamente más complejo. Cuando funcionan en el aire, las turbinas Darrieus están más cerca del suelo (por lo que pueden prescindir de una engorrosa torre), pero eso significa que son menos eficaces a la hora de aprovechar el viento (que sopla más rápido a mayor altura); en general, son menos eficientes y más inestables que otros diseños de turbinas (a menudo tienen que ser estabilizadas con cuerdas de sujeción) y apenas se utilizan comercialmente.

Pensando al revés

Foto: Las turbinas y las hélices funcionan de forma exactamente opuesta. Las hélices utilizan energía para hacer que un fluido se mueva (aire, en el caso de un avión, o agua, en un barco o submarino); las turbinas aprovechan la energía cuando un fluido en movimiento pasa por ellas. Izquierda: Foto de las hélices por el Sgto. Sgt. Justin D. Pyle por cortesía de las Fuerzas Aéreas de EE.UU.

Foto: Los álabes de las turbinas tienen una forma similar a la de los álabes de las hélices, pero suelen estar fabricados con aleaciones de alto rendimiento porque el fluido que pasa por ellos puede estar muy caliente. Foto de una pala de turbina expuesta en Think Tank, el museo de la ciencia de Birmingham (Inglaterra).

Tal vez se haya dado cuenta de que los aerogeneradores se parecen a las hélices gigantes, y ésa es otra forma de pensar en las turbinas: hélices que funcionan a la inversa. En un avión, el motor hace girar la hélice a gran velocidad, la hélice crea una corriente de aire que se mueve hacia atrás, y eso es lo que empuja -impulsa- el avión hacia adelante. Con una hélice, las palas en movimiento impulsan el aire; con una turbina, el aire impulsa las palas.

Las turbinas también son similares a las bombas y los compresores. En una bomba, tienes una rueda de paletas que gira y que aspira el agua a través de una tubería y la expulsa por otra para poder mover el agua (u otro líquido) de un lugar a otro. Si desmontas una bomba de agua, puedes ver que la rueda de paletas interna (que se llama impulsor) es muy similar a lo que encontrarías dentro de una turbina de agua. La diferencia es que una bomba utiliza energía para hacer que un fluido se mueva, mientras que una turbina captura la energía de un fluido en movimiento.

Turbinas en acción

En términos generales, dividimos las turbinas en cuatro tipos según el tipo de fluido que las impulsa: de agua, de viento, de vapor y de gas. Las turbinas de vapor, por ejemplo, giran increíblemente rápido porque el vapor se produce a alta presión. Las turbinas eólicas que producen electricidad giran relativamente despacio (sobre todo por razones de seguridad), por lo que tienen que ser enormes para capturar cantidades suficientes de energía. Las turbinas de gas deben fabricarse con aleaciones especialmente resistentes porque trabajan a temperaturas muy altas. Las turbinas de agua suelen ser muy grandes porque tienen que extraer la energía de todo un río, embalsado y desviado para que pase por ellas. Pueden girar con relativa lentitud, porque el agua es pesada y transporta mucha energía (debido a su gran masa) incluso cuando fluye a baja velocidad.

Turbinas de agua

Foto: Una gigantesca turbina de reacción Francis (la rueda naranja de la parte superior) siendo bajada a su posición en la presa de Grand Coulee, en el estado de Washington, EE.UU. El agua pasa por delante de las palas en ángulo, empujándolas y haciendo girar el eje al que están unidas. El eje hace girar un generador de electricidad que produce energía.Foto por cortesía de US Bureau of Reclamation.

Las ruedas hidráulicas, que se remontan a más de 2.000 años, a la época de los antiguos griegos, fueron las turbinas hidráulicas originales. La idea básica de la energía hidroeléctrica es embalsar un río para aprovechar su energía. En lugar de que el río fluya libremente cuesta abajo desde su origen en una colina o montaña hacia el mar, se le hace caer a través de una altura (llamada cabeza) para que coja velocidad (en otras palabras, para que su energía potencial se convierta en energía cinética), y luego se le canaliza a través de una tubería llamada tubería forzada que pasa por la turbina y el generador. La hidroelectricidad es efectivamente una conversión de energía en tres pasos:

• La energía potencial original del río (que tiene porque parte de un terreno elevado) se convierte en energía cinética cuando el agua cae a través de una altura.
• La energía cinética del agua en movimiento se convierte en energía mecánica mediante una turbina de agua.
• La turbina de agua que gira acciona un generador que convierte la energía mecánica en energía eléctrica.

Se utilizan diferentes tipos de turbinas hidráulicas en función de la geografía de la zona, de la cantidad de agua disponible (el caudal) y de la distancia que se puede hacer caer (la altura).Algunas centrales hidroeléctricas utilizan turbinas de impulso de tipo cubo (normalmente ruedas Pelton); otras utilizan turbinas de reacción Francis, Kaplan o Deriaz. Las turbinas de agua de impulso (como la rueda Pelton) pueden estar completamente abiertas al aire, por lo que a veces se puede ver el chorro de agua que golpea la turbina. En cambio, las turbinas de agua de reacción (como la Francis) deben estar completamente cerradas dentro del canal o pasillo por el que fluye el agua. Como ya se ha dicho, mientras que una turbina de impulso capta energía sólo en el punto en el que choca el chorro de agua, una turbina de reacción capta energía en toda la rueda a la vez, por lo que una turbina de reacción en una central hidroeléctrica puede producir más energía que una turbina de impulso del mismo tamaño.Esto, a su vez, explica por qué la mayoría de las centrales hidroeléctricas modernas utilizan turbinas de reacción.

Foto: Una turbina de agua Pelton. Obsérvese cómo cada cubo es, en realidad, dos cubos unidos.El chorro de agua golpea el «divisor» (el lugar donde los cubos se unen en el centro), dividiéndolo en dos chorros que salen limpiamente por cada lado. Foto de Benjamin F. Pearson por cortesía de Historic American Buildings Survey/Historic American Engineering Record, US Library of Congress.

Turbinas eólicas

Se tratan con mucho más detalle en nuestro artículo separado sobre turbinas eólicas.

Foto: Una turbina eólica típica, en Staffordshire, Inglaterra.La torre está a unos 50 m del suelo porque el viento se mueve más rápido cuando no hay obstáculos a nivel del suelo.Las palas del rotor tienen unos 15 m de diámetro y, con un gran barrido, capturan hasta 225 kW (kilovatios) de energía.

Turbinas de vapor

Las turbinas de vapor evolucionaron a partir de las máquinas de vapor que cambiaron el mundo en los siglos XVIII y XIX. Una máquina de vapor quema carbón en un fuego abierto para liberar el calor que contiene. El calor se utiliza para hervir el agua y producir vapor, que empuja un pistón en un cilindro para hacer funcionar una máquina como una locomotora de ferrocarril. Esto es bastante ineficaz (desperdicia energía) por una serie de razones. Un diseño mucho mejor toma el vapor y lo canaliza a través de las palas de una turbina, que gira como una hélice e impulsa la máquina a medida que avanza.

Las turbinas de vapor fueron creadas por el ingeniero británico Charles Parsons (1854-1931), que las utilizó para propulsar una lancha de gran velocidad llamada Turbinia en 1889. Desde entonces, se han utilizado de muchas maneras diferentes. Prácticamente todas las centrales eléctricas generan electricidad mediante turbinas de vapor. En una central de carbón, el carbón se quema en un horno y se utiliza para calentar el agua y hacer girar las turbinas de alta velocidad conectadas a los generadores de electricidad. En una central nuclear, el calor que produce el vapor procede de reacciones atómicas.

A diferencia de las turbinas de agua y las eólicas, que colocan una sola turbina giratoria en el flujo de líquido o gas, las turbinas de vapor tienen una serie completa de turbinas (cada una de las cuales se conoce como etapa) dispuestas en una secuencia dentro de lo que es efectivamente una tubería cerrada. A medida que el vapor entra en la tubería, se canaliza a través de cada etapa para extraer progresivamente más energía. Si alguna vez has visto hervir una tetera, sabrás que el vapor se expande y se mueve muy rápidamente si se dirige a través de una boquilla. Por esa razón, las turbinas de vapor giran a velocidades muy altas, muchas veces más rápidas que las turbinas de viento o de agua.

Lea más en el artículo principal sobre turbinas de vapor.

Foto: Un prototipo de turbina de gas producido para una central eléctrica de alto rendimiento. Cada una de las ruedas metálicas es una etapa de turbina independiente diseñada para extraer un poco más de energía de un gas de alta velocidad. Puedes ver lo grande que es esta turbina mirando al hombrecito vestido de blanco sentado en el centro de la máquina. Foto tomada en el Laboratorio Nacional de Tecnología Energética de Morgantown, por cortesía del Departamento de Energía de EE.UU.

Turbinas de gas

Los motores a reacción de los aviones se parecen un poco a las turbinas de vapor en que tienen varias etapas. En lugar de vapor, son impulsados por una mezcla de aire aspirado en la parte delantera del motor y los gases increíblemente calientes producidos por la quema de grandes cantidades de queroseno (combustible derivado del petróleo). Los motores de turbina de gas, algo menos potentes, también se utilizan en las modernas locomotoras de ferrocarril y en las máquinas industriales.