TURBOMÁQUINAS

PRESENTADO POR:MORGAN GARAVITO VÁSQUEZ

UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS DE AQUINOFACULTAD DE INGENIERÍA MECATRÓNICA

BUCARAMANGA2005

INTRODUCCIÓN

Las turbo máquinas se diferencian de otras máquinas térmicas en que son defuncionamiento continuo, no alternativo ó periódico como el motor de explosiónó la bomba de vapor a pistón.

A semejanza de otras máquinas las turbo máquinas son esencialmentetransformadoras de energía, y de movimiento rotativo. Sin embargo, sediferencian, por ejemplo, del motor eléctrico, en que la transformación deenergía se realiza utilizando un fluido de trabajo.

TURBOMÁQUINAS: Clasificación.

En las turbo máquinas el fluido de trabajo pude ser un líquido (comúnmenteagua, aunque para el caso de las bombas de líquido la variedad de fluidos esmuy grande) o un gas o vapor (comúnmente vapor de agua o aire, aunquenuevamente para los compresores la variedad de gases a comprimir puede sermuy grande). Las turbo máquinas cuyo fluido de trabajo es un líquido sedenominan turbo máquinas HIDRAULICAS; no hay una denominación especialpara las demás.

Este fluido de trabajo se utiliza para convertir la energía según una cascadaque puede enunciarse como sigue:

► Energía térmica (calor)► Energía potencial (presión)► Energía cinética (velocidad)► Intercambio de cantidad de movimiento► Energía mecánica.

No todas las turbo máquinas comprenden la cascada completa de energía:algunas sólo incluyen algunos escalones. Por otra parte, la cascada no siemprese recorre en la dirección indicada, pudiendo tener lugar en la direcciónopuesta. Las turbo máquinas que recorren la cascada en la dirección indicadase denominan MOTRICES, y las que la recorren en la dirección opuesta sedenominan OPERADORAS.

Las turbo máquinas motrices reciben las siguientes denominaciones:

•Si trabajan con líquidos, turbinas hidráulicas•Si trabajan con gases, turbinas (de vapor, de gases de combustión, etc.)

Las turbo máquinas operadoras se denominan:

• Si trabajan con líquidos, bombas hidráulicas• Si trabajan con gases, compresores (altas presiones) ó ventiladores ósopladores (bajas presiones).

También se diferencian las turbo máquinas según la trayectoria que en generalsigue el fluido: si el movimiento es fundamentalmente paralelo al eje derotación se denominan turbo máquinas AXIALES. Si es principalmente normalal eje de rotación, turbo máquinas RADIALES (centrífugas o centrípetas segúnla dirección de movimiento), y si se trata de casos intermedios, turbo máquinasMIXTAS.

CONVERSIÓN DE EP EN EC: Conversión de energía potencial en cinética,Toberas y Difusores.

Parte de la cascada de conversión de energía en las turbomáquinas requiere laconversión de energía potencial en energía cinética, y viceversa. Estastransformaciones se producen en elementos estáticos de las turbomáquinasdenominados Toberas y Difusores. En las primeras la energía potencial

(presión) se convierte en energía cinética (aumento de velocidad) y en lossegundos sucede la inversa.

Para las turbo máquinas hidráulicas (fluido incompresible) y para las máquinasde muy bajas relaciones de presión (ventiladores) es suficiente trabajar con lasrelaciones de flujo incompresible (ecuación de Bernouilli) para deducir loscambios de presión y velocidad.

Cuando los cambios de presión y velocidad son importantes y se trabaja congases se comienzan a manifestar fenómenos de compresibilidad, querequieren consideración de la velocidad del gas respecto a laVelocidad del sonido en el mismo.

RENDIMIENTO DE TOBERAS: Factor φ

Debido a la fricción del fluido con las paredes de la tobera la velocidad dedescarga será ligeramente inferior en un factor φ, que usualmente se tomaentre 0.97 y 0.99 para toberas convergentes y entre 0.96 y 0.94 paraconvergentes-divergentes por las mayores velocidades alcanzadas (y por endemayores pérdidas). La siguiente figura ilustra la expansión en una tobera en elplano i-s:

Esto puede interpretarse de dos maneras:

† Para obtener la velocidad de descarga deseada con un salto entálpico igualal isentrópico ó disponible, se debe expandir hasta una presión menor (punto2). Esto se debe a que parte de la energía cinética se convierte en calor porfricción, aumentando la temperatura y cancelando parte de la caída de entalpía.

† Expandiendo hasta la presión dada la velocidad de descarga será menor(punto 2’) por las razones anteriores.

† En cualquier caso el efecto de la fricción es una pérdida de presión de

remanso, que pasa a

El salto de entalpía adiabático, despreciando la velocidad de entrada, es:

Mientras que el salto real es:

Por lo que el rendimiento es y las pérdidas son:

DIFUSORES

Para los difusores se emplea el mismo coeficiente j, sólo que incrementando elvalor de la velocidad de entrada. La siguiente figura ilustra la transformación:

Nuevamente, esto puede interpretarse de dos maneras:

• Se requiere un mayor salto de entalpía para alcanzar la misma presión (punto2’). Esto se debe a que parte de la energía cinética se convierte en calor porfricción, aumentando la temperatura y disminuyendo la densidad sin contribuiral aumento de presión.

• Con un salto de entalpía dado se alcanza una menor presión (punto 2), por lamisma razón anterior.

• En cualquier caso se pierde parte de la presión de remanso.

El salto de entalpía adiabático, despreciando la velocidad de salida, es:

Mientras que el salto real es:

Por lo que el rendimiento es:

Y las pérdidas son:

El diseño de difusores contempla muy especialmente la posibilidad de que elfluído no pueda seguir el contorno de la pared por ser la divergencia demasiadoalta, en cuyo caso el flujo se separa y el difusor se comporta como si la relaciónde áreas fuera mucho menor, alcanzando presiones más pequeñas.

En la figura se ilustran valores máximos recomendados de ángulos de paredespara varios tipos de difusores:

COMPRESORES CENTRÍFUGOS: Tipos, Componentes.

El compresor centrífugo es una turbo máquina que consiste en un rotor quegira dentro de una carcasa provista de aberturas para el ingreso y egreso delfluído. El rotor es el elemento que convierte la energía mecánica del eje encantidad de movimiento y por tanto energía cinética del fluído. En la carcasa seencuentra incorporado el elemento que convierte la Ec. en energía potencial depresión (el difusor) completando así la escala de conversión de energía.

El difusor puede ser del tipo de paletas sustancialmente radiales, o de caracol.Las figuras 1 y 2 ilustran un compresor radial con ambos tipos de difusores:

TIPOS

El rotor de las figuras anteriores es del tipo abierto, de un solo lado y de paletasrectas ó perfectamente radiales. Los rotores pueden ser de doble entrada, ytambién pueden tener una cubierta sobre los bordes de las paletas (Figura 3):

En la descarga la paleta puede ser perfectamente radial o bien inclinada hacia“adelante” (en el sentido de rotación) o hacia “atrás” (Figura 4).

En ocasiones cada segunda paleta es recortada, comenzando a ciertadistancia de la entrada, configuración denominada “divisora” (splitter vane). Lafigura 5 muestra un rotor de diseño avanzado, paletas inclinadas hacia atrás ydivisoras en la entrada:

DIFUSOR DE ÁLABES

El difusor de álabes consiste en un sector anular que sigue el rotor donde seubican paletas fijas para formar conductos divergentes. Las paletas pueden serde espesor constante o tener forma de perfil aerodinámico, o bien forma decuña (wedge). La figura 6 ilustra el difusor de paletas tipo cuña y, en línea depuntos, como se formaría el de perfil aerodinámico:

DIFUSOR CARACOL

El difusor caracol consiste en un conducto que rodea al rotor cuya sección vaaumentando a medida que lo rodea, proveyendo el camino apropiado según laley de la espiral y aumentando la sección transversal para reducir la velocidad yaumentar la presión estática. El difusor de caracol tiene la ventaja de entregarel fluído comprimido en un conducto, lo que facilita su uso posterior. La figura 7ilustra un caso de caracol doble, utilizado para reducir el área frontal delcompresor en usos aeronáuticos:

El comienzo del caracol (denominado lengüeta) es una pieza de granimportancia en el diseño ya que controla el ruido y vibración producido y engran medida la eficiencia del compresor.

Compresores axiales.

Los compresores axiales tienen ciertas ventajas y desventajas con respecto alos compresores centrífugos. Entre las ventajas se pueden citar menor áreafrontal (importante para usos aeronáuticos) y mayores relaciones decompresión y eficiencias, aunque estas últimas ventajas no son tan grandes sise consideran compresores centrífugos de varias etapas y de diseño moderno.Las principales desventajas del compresor axial son su costo y surelativamente menor robustez, dada la fragilidad de los álabes (comparandocon el rotor centrífugo de una sola pieza).El compresor axial consiste en un rotor de forma cilíndrica que gira dentro deuna carcasa o estator.El fluído de trabajo circula por el espacio anular entre el rotor y el estator,pasando por hileras de álabes fijos y móviles (figura 8).

El rotor está generalmente compuesto de discos en cuyas periferias se montanlos álabes móviles (Figura 9):

Los álabes, tanto fijos como móviles, de los compresores axiales, son en sumayoría del tipo de reacción. Por lo tanto, se estudian y diseñan en base a lateoría de perfiles alares de la aerodinámica, por lo que se presenta una brevereseña de la misma.

Turbocompresores para motores de CI

El turbocompresor consiste en una turbina radial que aprovecha la energíaremanente en los gases de escape para mover un compresor centrífugo. Elcompresor alimenta los cilindros del motor con aire (ciclo Diesel) ó mezcla aire-combustible (ciclo Otto) a alta presión, aumentando la carga y la potencia delmotor. En la siguiente figura podemos ver un turbocompresor:

TURBINAS HIDRÁULICAS

Las turbinas hidráulicas funcionan según los mismos principios que lasturbomáquinas para gases, y las hay también radiales (centrífugas ycentrípetas), mixtas, axiales y de chorro. El tipo de turbina a utilizar depende dela aplicación y de la velocidad específica.

TURBINA DE CHORRO (PELTON)

La turbina más sencilla es la rueda Pelton, también llamada rueda de impulso(Figura 11):

Aplicando el teorema de Euler con el diagrama de velocidades de la figura:

La potencia es EG.Estas turbinas son muy robustas y pueden ser de gran tamaño. Una ruedaPelton puede tener medidas de 3 m de diámetro y 225 r.p.m que, con unaaltura de presión de más de 260 m entrega 5000 HP:

Turbinas de admisión plena

Las turbinas hidráulicas más usuales son las de admisión plena, alimentadasen toda su periferia. Las hay radiales y axiales.

Turbinas radiales y mixtas

Como en el caso de las turbinas radiales de gases, las turbinas hidráulicasradiales requieren algún mecanismo (caracol de alimentación y/o toberas o

paletas de guía) para impartir al líquido la magnitud y ángulo correctos a laentrada.La Figura 12 ilustra turbinas radiales con caracol y paletas de guía y turbinasde flujo mixto, en las que la impulsión la produce el ángulo del exductor:

La disposición general de estas turbinas en una represa para generación deelectricidad se esquematiza en la Figura 13:

:

La descarga de la turbina puede ser libre a la atmósfera o continuarse en unconducto que lleve el agua a un nivel inferior como muestra la figura. En elsegundo caso, si el conducto (draft tube) está lleno, la presión de estagnaciónen la descarga puede ser inferior a la atmosférica, debido al peso de lacolumna de agua de altura Z2, o bien H02 si se descuentan las pérdidas. Senota que, estando los tubos de alimentación y descarga llenos, la altura depresión disponible es la misma no importa a qué altura se coloca la turbina.Para saltos de presión mayores se utilizan ruedas con paletas inclinadas haciaatrás (relativos al movimiento de la periferia)) para admitir más altasvelocidades de entrada.

Turbinas axiales

Las turbinas modernas son del tipo axial por razones de mayor eficiencia.Pueden estar provistas de caracol y/o paletas de guía a la entrada. Las paletasde guía (en inglés, “gates”, “wickets” o “inlet guide vanes”) son necesarias paraajustar el ángulo de la velocidad de entrada a caudales (potencias) variables,ya que las turbinas hidráulicas se utilizan mayormente para la generación deenergía eléctrica, y deben por lo tanto girar a velocidades fijas (3000, 1500,750, etc., r.p.m). La figura 14 ilustra una turbina axial típica:

Las turbinas axiales más utilizadas son las del tipo Francis (axial-mixta) yKaplan (axial) en orden de velocidad específica.

BIBLIOGRAFIA

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