¿Cómo funcionan las turbinas?

Si has leído sobre transmisiones sincrónicas, sabes que un motor está conectado a una transmisión por medio de un clutch. Sin esta conexión, un vehículo no sería capaz de detenerse completamente sin apagar el motor. Pero los autos con transmisión automática no tienen un clutch que desconecte la transmisión del motor. En su lugar, utilizan un sorprendente dispositivo llamado turbina. Puede que no parezca gran cosa, pero hay algunas cosas muy interesantes en su interior.

Lo básico.

Al igual que los vehículos sincrónicos, los autos con transmisión automática necesitan una forma de dejar que el motor gire mientras las ruedas y las marchas de la transmisión se detienen. Los autos sincrónicos usan un clutch, que desconecta completamente el motor de la transmisión. Los autos de transmisión automática utilizan una turbina.

Una turbina es un tipo de acoplamiento de fluidos, que permite que el motor gire de forma algo independiente de la transmisión. Si el motor gira lentamente, por ejemplo cuando el automóvil está detenido en un semáforo, la cantidad de par que pasa por la turbina es muy pequeña, por lo que para mantener el automóvil quieto sólo se requiere una ligera presión sobre el pedal del freno.

Si tuvieras que pisar el acelerador mientras el auto está parado, tendrías que pisar más fuerte el freno para evitar que el vehículo se mueva. Esto se debe a que cuando pisas el acelerador, el motor acelera y bombea más fluido a la turbina, lo que hace que se transmita más par a las ruedas.

Dentro de la turbina.

Como se muestra en la siguiente figura, hay 3 componentes dentro de la muy resistente carcasa de la turbina:

• Bomba

• Turbina

• Estator

• Líquido de transmisión

La carcasa de la turbina está atornillada al volante de inercia del motor, por lo que gira a cualquier velocidad a la que el motor esté funcionando. Las aletas que componen la bomba de la turbina están atornilladas a la carcasa, por lo que también giran a la misma velocidad que el motor.

La bomba dentro de una turbina es un tipo de bomba centrífuga. Al girar, el fluido es arrojado al exterior, de la misma manera que el ciclo de giro de una lavadora arroja agua y ropa al exterior de la tina de lavado. A medida que el fluido es lanzado al exterior, se crea un vacío que atrae más fluido hacia el centro.

El fluido entra entonces en las palas de la turbina, que está conectada a la transmisión. La turbina hace que la transmisión gire, lo que básicamente mueve el auto. Esto significa que el fluido, que entra en la turbina desde el exterior, tiene que cambiar de dirección antes de salir del centro de la turbina. Es este cambio de dirección es el que hace que la turbina gire.

Para cambiar la dirección de un objeto en movimiento, debes aplicar una fuerza a ese objeto... no importa si el objeto es un auto o una gota de líquido. Y lo que sea que aplique la fuerza que hace que el objeto gire también debe sentir esa fuerza, pero en la dirección opuesta. Así que mientras la turbina hace que el fluido cambie de dirección, el fluido hace que la turbina gire.

El fluido sale de la turbina en el centro, moviéndose en una dirección diferente a la que tenía cuando entró. Si se permitiera que el fluido golpeara la bomba, se reduciría la velocidad del motor, desperdiciando energía. Por eso una turbina tiene un estator. En la siguiente sección veremos más de cerca el estator.

El Estator

El estator reside en el centro mismo de la turbina. Su trabajo es redirigir el fluido que regresa de la turbina antes de que llegue a la bomba de nuevo. Esto aumenta drásticamente la eficiencia de la turbina.

El estator tiene un diseño de palas muy agresivo que invierte casi completamente la dirección del fluido. Un clutch unidireccional (dentro del estator) conecta el estator a un eje fijo en la transmisión (la dirección en que el clutch permite que el estator gire se indica en la figura anterior). Debido a esta disposición, el estator no puede girar con el fluido, sólo puede girar en la dirección opuesta, obligando al fluido a cambiar de dirección cuando golpea las hojas del estator.

Algo un poco complicado sucede cuando el vehículo se mueve. Hay un punto, alrededor de 40 mph (64 kph), en el que tanto la bomba como la turbina giran casi a la misma velocidad (la bomba siempre gira ligeramente más rápido). En este punto, el fluido regresa de la turbina, entrando en la bomba ya en movimiento en la misma dirección que la bomba, por lo que el estator no es necesario.

Aunque la turbina cambia la dirección del fluido y lo arroja por la parte posterior, el fluido todavía termina moviéndose en la dirección en que la turbina está girando porque la turbina está girando más rápido en una dirección que el fluido está siendo bombeado en la otra dirección. Si estuvieras parado en la parte trasera de una camioneta que se mueve a 60 mph, y tiraras una bola por la parte trasera de esa camioneta a 40 mph, la bola seguiría avanzando a 20 mph. Esto es similar a lo que sucede en la turbina: El fluido es arrojado por la parte trasera en una dirección, pero no tan rápido como iba a comenzar en la otra dirección.

A estas velocidades, el fluido realmente golpea los lados traseros de las hojas del estator, causando que el estator gire libremente en su clutch unidireccional para que no impida que el fluido se mueva a través de él.

Beneficios y puntos débiles.

Además de la importantísima tarea de permitir que el auto se detenga completamente sin que se pare el motor, la turbina da más fuerza al vehículo cuando acelera al salir de una parada. Las turbinas modernas pueden multiplicar la torsión del motor de dos a tres veces. Este efecto sólo se produce cuando el motor gira mucho más rápido que la transmisión.

A mayores velocidades, la transmisión alcanza el motor, eventualmente moviéndose casi a la misma velocidad. Idealmente, sin embargo, la transmisión se movería exactamente a la misma velocidad que el motor, porque esta diferencia de velocidad desperdicia potencia. Esto es parte de la razón por la que los autos con transmisión automática tienen peor rendimiento de gasolina que los coches con transmisión sincrónica.

Para contrarrestar este efecto, algunos vehículos tienen una turbina con un clutch de bloqueo. Cuando las dos mitades de la turbina alcanzan la velocidad, este clutch las bloquea, eliminando el deslizamiento y mejorando la eficiencia.