turbomáquinas

TURBOMÁQUINAS
Mg. Amancio R. Rojas Flores
1.- DEFINICIÓN DE TURBOMÁQUINAS
Las turbomáquinas son equipos diseñados para conseguir un
intercambio energético entre un fluido (que pasa a su través de forma
continua) y un eje de rotación, por medio del efecto dinámico de una
o varias coronas de álabes (fijos y/o móviles).
Los nombres que reciben las coronas fijas y móviles son,
respectivamente, rotor (rodete, impulsor o hélice, según el tipo de
máquina) y estator (voluta o carcasa, según el caso
Se diferencian de las máquinas de desplazamiento positivo en que
existe continuidad entre el fluido que entra y, por tanto, el
intercambio energético se produce de forma continua, cambiando
su cantidad de movimiento, siendo esto aprovechado como una
entrega de energía del fluido a la máquina (turbomáquinas motoras)
o de la máquina al fluido (turbomáquinas generadoras)
En las turbomáquinas el fluido de trabajo pude ser un líquido
(comúnmente agua, aunque para el caso de las bombas de líquido
la variedad de fluidos es muy grande) o un gas o vapor
(comúnmente vapor de agua o aire, aunque nuevamente para los
compresores la variedad de gases a comprimir puede ser muy
grande).
Este fluido de trabajo se utiliza para convertir la energía
según una cascada que puede enunciarse como sigue:
Energía térmica (calor)
Energía potencial (presión)
Energía cinética (velocidad)
Intercambio de cantidad de
movimiento
Energía mecánica
M
G
E
N
O
R
T
A
O
D
R
O
R
A
A
S
S
Campos científico-técnicos y etapas en el estudio de las turbomáquinas
Las variables básicas que intervienen en el estudio de turbomáquinas
son también numerosas y se pueden agrupar en las siguientes
categorías:
Variables geométricas (diámetros, ángulos, espesores, huelgos,...).
Variables mecánicas (par, velocidad de giro, potencia en el
eje, esfuerzos,...).
Variables
fluidodinámicas
(presión,
temperatura, densidad, viscosidad,…)
velocidad,
caudal,
CLASIFICACION
DE
LAS TURBOMAQUINAS
SEGÚN EL SENTIDO DE LA TRANSFERENCIA DE ENERGÍA.
El intercambio energético entre fluido y rotor, puede ser en dos sentido:
Turbomáquinas generadoras o pasivas.- reciben la energía por el
movimiento a través de un eje, que a su vez mueve un rotor y se la
entregan al fluido (termodinámicamente hablando, es un sistema que
recibe trabajo).
generan un aumento de la energía específica del fluido. De este tipo
son las bombas, ventiladores, hélices marinas, etc.
Bomba centrifuga
Hélice marina
Turbomáquinas motoras o activas.- son aquellas máquinas que
reciben la energía del fluido y la transforman en energía de
movimiento de un rotor, y de éste a un eje (termodinámicamente
hablando, es un sistema que entrega trabajo)
.De este tipo son las turbinas, tanto hidráulicas como eólicas
CLASIFICACIÓN SEGÚN LA GEOMETRÍA.
Las turbomáquinas se basan en una variación del momento cinético
del fluido como consecuencia de la deflexión producida en el interior
del rodete, desde su entrada siempre axial a su salida. El intercambio
energético será mayor cuanto mayor sea la deflexión de la corriente, a
igualdad de otras condiciones.
Existen dos tipos básicos de geometrías de turbomáquinas en función
de la dirección del flujo de salida:
• Radiales (o Centrífugas): el flujo de salida es en dirección radial.
• Axiales: el flujo llega y sale axialmente.
Habitualmente, se distinguen otros dos tipos de geometrías de
turbomáquinas:
• Mixtas: o de flujo mixto. El flujo de salida, tiene tanto
componente axial como radial.
• De flujo cruzado: el flujo de salida atraviesa dos veces el
rodete de la máquina.
Momento cinético, o momento de cantidad de movimiento:
Trayectoria de una partícula de fluido que atraviesa el rodete de una
turbomaquina
a) Trayectoria de una partícula en una máquina radial
b) Trayectoria de una partícula en una máquina axial
c) Trayectoria de una partícula en una máquina radio axial, llamada
también de flujo mixto, o semi-axial
CLASIFICACIÓN SEGÚN LA COMPONENTE DE
ENERGÍA FLUIDODINÁMICA MODIFICADA.
La energía especifica, es la energía por unidad de masa, y tiene cuatro
componentes (específicas, por unidad de masa):
Energía especifica = Energía interna (û) + Trabajo de flujo (p/ρ) +
Energía cinética (v2/2) + Energía potencial (gz)
Variación de energía potencial. Un ejemplo es el tornillo de
Arquímedes: se trata de un tornillo dentro de una carcasa;
cuando se gira en el sentido adecuado, arrastra el fluido en
dirección axial. Si se inclina, lo único que varía es la cota geodésica.
La presión es la atmosférica y no hay variación de velocidad. Se
usaba para elevar aguas; actualmente sólo para aguas residuales y
otras emulsiones
Variación de energía cinética. Un ejemplo es una turbina
eólica, en la que se aprovecha parte de la energía cinética del
viento, y no varía la presión (presión atmosférica).
A este tipo de máquinas
se les llama máquinas de
acción pura..
Otro ejemplo es un ventilador de mesa: aspira aire en reposo y lo
impulsa a una determinada velocidad sin variación de presión.
En una turbina Pelton el chorro de agua a presión atmosférica
incide sobre las cucharas (álabes), pudiendo conseguir que la
velocidad absoluta de salida sea nula. Otro ejemplo de este tipo
de máquinas son las hélices de aviación y las marinas
Variación de presión (entalpía si no hay variación de energía
interna). En estas máquinas únicamente varía el término de
presión, o bien las otras variaciones son despreciables frente a la
de presión.
Es lo que ocurre en bombas centrífugas: las variaciones de cota
geodésica son muy pequeñas, y aunque suele ocurrir que el
diámetro en el conducto de impulsión es diferente del de aspiración
y. por tanto, la energía cinética varía, esta variación es
despreciable frente a una altura de elevación que puede ser de
varios metros.
A este tipo de máquinas se les llama máquinas de reacción. Otro
ejemplo de este tipo de máquinas sería una turbina Francis: el
fluido llega a la turbina con una gran presión, incide sobre el
rodete y disminuye la presión
Cambio de presión en el rodete
Turbomáquina de acción: es aquella donde la presión del fluido no cambia
entre la entrada y la salida del rodete. Un ejemplo de ésta es la turbina
Pelton.
Turbomáquina de reacción: donde la presión del fluido cambia entre la
entrada y la salida del rodete. Un compresor, por ejemplo, estaría
clasificado como una turbomáquina de reacción
Para cuantificar la proporción entre acción y reacción, se define el
grado de reacción como el cociente entre la variación de entalpía
y el de energía total. Su valor esta habitualmente comprendido
entre 0 y 1 (aunque existen máquinas con un grado de reacción
mayor de la unidad). Si es 0, será una máquina de acción pura. Si
es 1, se tiene una máquina de reacción pura.
CLASIFICACIÓN SEGÚN LA VARIACIÓN DE
DENSIDAD DEL FLUIDO.
Si el flujo es compresible, hay variación de densidad y también de
temperatura. Si el flujo es incompresible, la densidad permanece
constante; o bien con un criterio menos estricto, cuando las
variaciones de densidad son menores que las variaciones de
velocidad, es decir cuando el número de Mach es pequeño
(Ma<0,3).
Turbomáquina Térmica.- es aquella donde el fluido de trabajo
cambia su densidad al pasar a través del rodete o rotor (turbinas a
gas, turbinas a vapor).
Turbomáquina Hidráulica.- es aquella donde la densidad del
fluido que pasa a través de la máquina, no cambia. (bombas,
turbinas hidráulicas, ventiladores).
CLASIFICACIÓN SEGÚN EL NÚMERO DE ETAPAS.
Un sola etapa (turbina axial).
Multietapa (compresor axial).
En cualquier punto de la trayectoria de una partícula se pueden dibujar tres ejes:
r, u, a, dirigidos según el radio, la tangente y el eje de la máquina:
En la máquina radial la velocidad en ningún punto (del rodete) tiene
componente axial (según el eje a); solo tiene dos componentes:
tangencial y radial.
En la máquina axial la velocidad en ningún punto tiene componente
radial (según el eje r); sólo tiene dos componentes: axial y periférica.
En las máquinas axiales U1 = U2 . El efecto de la fuerza centrífuga es
nula. Una bomba axíal no es una bomba centrífuga
En la máquina radio-axial la velocidad tiene las tres componentes
según los tres ejes.
En ninguna máquina falta la componente periférica, Cu , cuya
variación a su paso por la máquina, según la ecuación de Euler, es
esencial en la transmisión de la energía.
Las turbinas hidráulicas Pelton, constituyen una clase especial,
porque en ellas el flujo es meramente tangencial.
Las turbinas de vapor de las centrales térmicas modernas son
máquinas axiales
Las turbinas hidráulicas son rara vez radiales. Las turbinas
hidráulicas más frecuentes son las turbinas Francis que son
máquinas radio-axiales
La bomba radial es una máquina muy frecuente; pero son también
frecuentes las bombas axiales y semi-axiales.