5.2. MÁQUINAS TÉRMICAS ROTATIVAS DE COMBUSTIÓN INTERNA
Dentro de las máquinas térmicas rotativas de combustión interna se encuentran:
- Turbina de gas (de ciclo abierto)
- Motor Wankel
5.2.a Turbina de gas de ciclo abierto
El movimiento rectilíneo alternativo del pistón en el cilindro se sustituye por el movimiento rotativo del rodete o rotor. Con ello se consigue mayor velocidad y menor volumen. Además de estas ventajas, las turbinas de gas son capaces de generar potencias altas.
Se pueden distinguir dos tipos de turbinas de gas las cuales siguen el ciclo de BRAYTON (entre el 60-75% se utiliza para mover el compresor y el resto (trabajo útil) se utiliza generalmente para el movimiento de la turbina):
a) Turbina de combustión isobárica (presión constante dentro de la turbina)
En su esquema más simple, está compuesta de un compresor (C), una cámara de combustión (CC) y de turbina (T) propiamente dicha. El funcionamiento es:
- Difusor de admisión. El aire entra por este punto de entrada del exterior al motor, haciendo que pierda velocidad y gane presión.
- Compresor: recibe el aire desde el difusor de admisión y lo comprime, transformando la energía mecánica que recibe su eje en energía en forma de aire comprimido.
- Cámara de combustión. Es el lugar donde se mezcla el combustible y el aire y se realiza la combustión. Como consecuencia de esa combustión, los gases quemados salen de la cámara a una gran velocidad y llegan a la turbina.
- Turbina. Transforma la energía de los gases de salida de la cámara de combustión en energía mecánica. Parte de esa energía se utiliza para mover el compresor, y otra parte se transmite como trabajo útil por el eje de la turbina. Los gases calientes expandiéndose hasta la presión atmosférica descargan al exterior (por esto es de ciclo abierto)
La característica particular de esta turbina de gas es que la combustión resulta continua y tiene lugar a una presión que se mantiene constante en la cámara de combustión.
b) Turbinas de combustión isocórica (volumen constante dentro de la turbina)
Difiere de la isobárica por tener la cámara de combustión provista de válvulas de aspiración y de escape. La mezcla de aire y gas combustible entra en la cámara de combustión a través de las válvulas automáticas y se enciende por medio de una bujía. La combustión tiene lugar, aproximadamente a volumen constante con un aumento rápido de presión que provoca la salida del gas de combustión a través de las paletas del rotor. Cuando la presión desciende hasta el valor de la atmosférica, la aspiración de una nueva carga de mezcla tiene lugar gracias a la depresión creada en la cámara por la succión debida a la inercia del gas descargándose a través de la tobera.
Aplicaciones de la turbina de gas
- En las plantas de generación de energía eléctrica. Como unidades de base, son económicamente más rentables las turbinas de vapor y los motores Diesel, sin embargo como unidades punta (momentos de mayor demanda de fluido eléctrico) y como grupos de emergencia, se utilizan cada vez más y con potencias cada vez mayores. Pueden generar potencias de hasta 100 MW.
- En propulsión aeronáutica. Es sin duda alguna, el campo de aplicación más importante de las turbinas de gas, debido a su poco peso y a su alta generación de potencia. Entre estos motores rotativos cabe destacar: Turbo-reactores y Turbo-hélices.
- En propulsión marina. Mediante turbina de gas sola o combinada con el motor Diesel. Su uso se centra en embarcaciones que requieren gran potencia con relación a su volumen (lanchas rápidas, overcrafts, etc.).
- En unidades motrices terrestres: autobuses, camiones (con potencias por encima de 450 kW).
- El turbosobrealimentador de los motores alternativos de combustión interna es una turbina de gas (sin cámara de combustión ni compresor propio) accionada por los gases de escape del motor Otto o Diesel, cuya potencia útil se aprovecha para accionar un compresor, que eleva la presión del aire de alimentación del motor. Al aumentar la cantidad de aire introducido en el motor, se aumenta la cantidad de combustible que se puede quemar, generando, por tanto, más potencia.
- Otras aplicaciones: refinerías de petróleo, gasoductos, acerías, etc.
Ventajas de las turbinas de gas
- Potencia específica elevada (peso y volumen reducido con relación a la potencia generada)
- Tiempo mínimo de puesta en marcha.
- Coste por kW instalado reducido.
- Exigencia mínima de agua de refrigeración.
- Posibilidad de utilizar combustibles más baratos.
5.2.b Motor Wankel
Está constituido por una carcasa en forma de elipse -estator- (que se puede comparar al bloque en el motor alternativo), que encierra el cilindro y todas las piezas móviles del motor, la forma del cilindro se llama hipocicloide. En la carcasa van las lumbreras de admisión y de escape, las camisas de líquido refrigerante, la o las bujías de encendido y a ella se fija el piñón sobre el que rueda el rotor por su corona dentada interior.
El rotor, que es el émbolo giratorio, tiene forma de triángulo equilátero curvilíneo y gira excéntricamente apoyado en el piñón fijo y sus vértices se mantienen siempre en contacto con la superficie del cilindro o carcasa del estator. Para mantener estanquidad entre las tres cámaras en que en todo momento está dividido el "cilindro" por el "émbolo", este lleva en sus vértices una especie de patines que serían los segmentos en el motor alternativo. Entre el "émbolo" o rotor y el eje motor va un importante rodamiento de rodillos para articular ambos.
Estos motores funcionan en un ciclo de cuatro tiempos y producen tres ciclos de trabajo en cada vuelta completa del mismo, por lo que equivalen a un motor de tres cilindros.
En cada cara del triángulo del rotor, va un vaciado que es la cámara de compresión. Cada cara del rotor actúa como un pistón y realiza los cuatro tiempos del ciclo por vuelta, por lo que el motor de un solo rotor equivale a uno de tres cilindros y dos tiempos ateniéndose a que estos se realizan en una revolución del motor, aunque lo cierto es que por cada vuelta del rotor el árbol motor da 3 vueltas, siendo ello debido a 2 causas: primera, el número de dientes de la corona dentada del rotor es 1,5 veces el de dientes del piñón fijo, (ejemplo: para corona 45 - piñón 30); segunda, el rotor tiene un movimiento de rotación y otro de traslación, ambas causas recogidas en la excéntrica del eje del motor hace que este sea impulsado a una velocidad angular triple de la del rotor.
Comparado con los motores alternativos el motor wankel tiene las siguientes:
Ventajas:
- Menos pesado (1/3) y más sencillo y compacto al disminuir considerablemente el número de piezas.
- Más silencioso y suave.
- Puede girar a mayor número de revoluciones sin los efectos de inercia tan apreciables.
- Como el motor de 2 tiempos, elimina el sistema de distribución.
- Precio mucho menor fabricado en serie.