Las máquinas de combustión interna rotativas más comunes incluyen las turbinas de reacción, los turboreactores y las turbinas de gas. Son especialmente utilizadas en aeronáutica, aunque las turbinas de gas también se emplean en la generación de electricidad. A pesar de las expectativas generadas, uno de los motores rotativos más interesantes, el motor Wankel, no tuvo éxito. A continuación, se estudian su funcionamiento y el de las turbinas.
A. Motor Wankel
El motor Wankel fue diseñado por el ingeniero alemán Felix Wankel y se puso en marcha por primera vez en 1963. Aunque sigue los principios del ciclo Otto, realiza los procesos de admisión, compresión, explosión y escape en una sola rotación del rotor. El rotor, de forma triangular, gira excéntricamente dentro de una cámara ovalada, realizando tres ciclos simultáneos en cada giro.
Durante un giro del rotor, los siguientes procesos ocurren de manera simultánea:
- Admisión: El volumen de una subcámara aumenta, lo que permite la entrada de la mezcla aire-combustible.
- Compresión: La mezcla se comprime mientras el rotor avanza.
- Explosión: La mezcla comprimida es encendida por una bujía, generando una explosión que impulsa el rotor.
- Escape: Los gases quemados se expulsan mientras se inicia un nuevo ciclo de compresión y admisión.
El movimiento del rotor se transmite al árbol motriz mediante una corona dentada que engrana con el árbol. Aunque el motor Wankel presenta ventajas como la ausencia de movimientos alternativos y vibraciones, y la capacidad de realizar tres explosiones por rotación, no ha tenido éxito debido a problemas de estanqueidad de las subcámaras, refrigeración y lubricación, lo que limita su vida útil.
B. Turbinas de gas de ciclo abierto
Las turbinas de gas de ciclo abierto se utilizan principalmente en la propulsión de aeronaves y en la generación de electricidad. El principio de funcionamiento se basa en la conversión de la energía cinética de los gases a alta velocidad para hacer girar la turbina.
El ciclo de funcionamiento es el siguiente:
- Admisión: El aire es aspirado por un compresor.
- Compresión: El aire es comprimido a alta presión.
- Combustión: El aire comprimido se mezcla con combustible y se quema en una cámara de combustión.
- Expansión: Los gases producidos por la combustión pasan por la turbina, que gira debido a la energía cinética de los gases.
- Escape: Los gases de escape son expulsados a alta velocidad.
Una característica importante de las turbinas de gas es que, en el mismo eje de la turbina, se encuentra un compresor. De esta forma, parte del trabajo generado por la turbina se utiliza para accionar el compresor, lo que hace que el sistema funcione de manera continua.
Fórmulas relacionadas con las turbinas de gas y el ciclo de combustión:
1. Potencia de la turbina de gas:
La potencia generada por la turbina de gas se puede estimar a través de la siguiente fórmula:P=m˙⋅(h3−h4)P = \dot{m} \cdot (h_3 – h_4)P=m˙⋅(h3−h4)
Donde:
- PPP es la potencia generada.
- m˙\dot{m}m˙ es el flujo másico de los gases (masa de gas que pasa por la turbina por unidad de tiempo).
- h3h_3h3 es la entalpía de los gases a la salida de la combustión (punto 3).
- h4h_4h4 es la entalpía de los gases a la salida de la turbina (punto 4).
2. Eficiencia térmica del ciclo de la turbina de gas:
La eficiencia térmica de una turbina de gas, dada su capacidad para realizar un ciclo cerrado de expansión y compresión, puede calcularse usando la siguiente fórmula:η=W˙Q˙in\eta = \frac{\dot{W}}{\dot{Q}_{in}}η=Q˙inW˙
Donde:
- W˙\dot{W}W˙ es el trabajo neto realizado por la turbina.
- Q˙in\dot{Q}_{in}Q˙in es el calor suministrado al sistema (es decir, el calor proveniente de la combustión).
3. Relación de compresión de la turbina de gas:
La relación de compresión (rrr) es fundamental para determinar la eficiencia del sistema:r=P1P2r = \frac{P_1}{P_2}r=P2P1
Donde:
- P1P_1P1 es la presión a la entrada del compresor (punto 1).
- P2P_2P2 es la presión a la salida del compresor (punto 2).
Conclusión:
Las turbinas de gas de ciclo abierto y el motor Wankel son ejemplos de motores rotativos que, a pesar de sus diferencias, se utilizan para convertir la energía térmica en trabajo mecánico. Mientras que las turbinas de gas son muy eficientes en la generación de electricidad y la propulsión de aeronaves, el motor Wankel, aunque prometedor en sus inicios, no logró superar ciertos problemas técnicos.
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