Upload
francisco-santiago
View
70
Download
7
Embed Size (px)
Citation preview
Republica Bolivariana de Venezuela
Ministerio del Poder Popular para la Defensa
Universidad Nacional Experimental Politécnica de la Fuerza Armada
UNEFA- Barinas
Cátedra: Turbomáquinas
PROFESOR: INTEGRANTES:
Ing. Marco Suarez Balza Francisco C.I 19.476.726
Araque Arnold C.I 19.613.998
Barinas, 11 de Octubre de 2013
INTRODUCCION
A lo largo de la historia de la humanidad, el hombre ha modificado y manipulado su
entorno para realizar un trabajo en el menor tiempo y esfuerzo posible. Con esta finalidad
se han construido máquinas con diferentes niveles de complejidad. Por lo tanto, una
máquina es un dispositivo que convierte la energía para realizar un determinado trabajo.
Para realizar este trabajo, las máquinas pueden utilizar cualquier tipo de energía disponible,
por ejemplo la energía térmica del sol, la energía eólica del viento, la energía hidráulica de
corrientes naturales de agua, energía mecánica, energía eléctrica, etc. En nuestro caso, nos
enfocaremos solo al estudio de las máquinas que funcionan con una corriente fluida, es
decir con líquidos y gases.
Para su funcionamiento este tipo de máquinas efectúan una transformación de parte
de la energía contenida en un fluido en energía mecánica, y viceversa. Es decir, que parte
de la energía potencial que contiene un fluido, con respecto a un determinado nivel de
referencia, es convertida en energía mecánica, disponible generalmente como un momento
o potencia motriz. Ésta transformación se lleva a cabo a través de la interacción entre una
corriente fluida y un elemento mecánico que forma parte de la máquina misma. Como se ha
mencionado, solo se convierte una parte de la energía disponible en un fluido, ya que todo
proceso de transformación de la energía se lleva a cabo con un determinado rendimiento, y
por lo tanto siempre tendremos pérdidas de potencia.
TURBOMAQUINAS
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.
El estudio de las turbomáquinas ha progresado mucho en las últimas décadas,
pasando a ser un campo tecnológico multidisciplinar y de grandes innovaciones debido al
creciente interés por la investigación del flujo en el interior de los distintos equipos
CLASIFICACIÓN DE LAS TURBOMÁQUINAS
Después de tener conocimiento de los principios generales que rigen a todas las
turbomáquinas procede una clasificación para iniciar un estudio metodológico delos
diferentes tipos. Hay muchos métodos de clasificación en grupos con factores comunes
pero no puede decirse que haya una clara división en conjuntos de funcionamiento y diseño
único que permita desarrollar estudios simples sobre las mismas bases. Sin embargo el
comportamiento de los fluidos reales bajo condiciones particulares conduce a un análisis de
diseño especial para un número de tipos separadamente. Una primera gran división que
puede hacerse es, en máquinas que transfieren energía de rotor a fluido, denominadas
bombas y compresores, y en maquina que transfieren energía de fluido a rotor, llamadas
turbinas. Otra segunda clasificación se basa en la dirección que tiene el flujo a su paso por
el rotor, y se tienen así máquinas de flujo radial y máquinas de flujo axial; algunas tienen
dos flujos, esto es, son flujo mixto (como la Francis mixta) y entonces éstas se clasifican
entre las radiales, aunque no impliquen al flujo radial los elementos del flujo axial. Una
tercera división, que atiende al grado de reacción, es la que contempla por un lado las
máquinas de impulso y por otro lado las de reacción. Pero esta clasificación es imprecisa,
para la mayor parte de los autores y constructores pues aunque parece lógico que GR=0
debe corresponder a impulso y GR≠0 a reacción, no se toma así en la practica, sino que se
llaman de impulso a muchas turbomáquinas con bajo grado de reacción a la dinámica. Pero
como no se define ningún porcentaje, permanece la duda si debe llamar de impulso o de
reacción, buscando precisión para un estudio metodológico se llamaran de impulso a las
maquinas con GR= 0 y de reacción aquellas en que GR≠0. Finalmente es motivo muy
importante para una clasificación, la naturaleza del fluido con que trabaja la máquina, esto
es, si es compresible o incompresible. Entre las turbinas de agua y las de vapor o gas, hay
notables diferencias, por ejemplo aunque bien es verdad que entre las bombas de agua y los
compresores de aire no son tan acusados. A continuación se ilustrará una clasificación de
las turbomáquinas solo tomando en cuenta las de flujo incompresible que es en esa
clasificación donde cae la turbina Pelton.
Clasificación general de las turbomáquinas
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 (que se expondrá en la
segunda parte de esta lección), 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.
Distintas geometrías de turbomáquinas (ventiladores)
Geometría de una bomba centrífuga
CLASIFICACIÓN SEGÚN EL SENTIDO DE LA TRANSFERENCIA DE
ENERGÍA
El intercambio energético entre fluido y rotor, puede ser en dos sentido:
Las máquinas generadoras: en donde parte de la potencia transmitida por el eje al
rotor, se utiliza en aumentar la energía específica de un determinado caudal de fluido; son
máquinas que consumen potencia, y generan un aumento de la energía específica del fluido.
De este tipo son las bombas, ventiladores, hélices marinas, etc.
Las máquinas receptoras: en donde el caudal de fluido cede parte de su energía
especifica al rotor, lo que provoca una salida de potencia a través del eje; son máquinas que
desarrollan potencia, y son receptoras de la energía del fluido. De este tipo son las turbinas,
tanto hidráulicas como eólicas.
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):
• 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.
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).
CLASIFICACIÓN SEGÚN EL NÚMERO DE ETAPAS
Las de una sola etapa poseen un único rodete, y las multietapa poseen varios.
TIPOS DE TURBOMAQUINAS
TURBINA PELTON
Las turbinas de impulso o de acción tienen la peculiaridad de aprovechar solamente
la energía cinética del fluido; no existe pues gradiente de presión entre la entrada y la salida
de la maquina. El grado de reacción es cero.
La turbina Pelton debe su nombre a Lester Allan Pelton (1829-1908) quien
buscando oro en california, concibió la idea de una rueda con cucharas periféricas que
aprovechara la energía cinética de un chorro de agua, proveniente de una tubería de presión,
incidiendo tangencialmente sobre la misma ensayo diversas formas de álabes hasta alcanzar
una patente de la rueda en 1880, desde cuya fecha ha tenido gran desarrollo y aplicación.
En la turbina Pelton actual la energía cinética del agua, en forma de chorro libre, se genera
en una tobera colocada al final el gasto, constituyendo el conjunto, el órgano de
alimentación y de regulación de la turbina. El álabe tiene la forma de doble cuchara, con
una arista diametral sobre la que incide el agua, produciéndose una desviación simétrica en
dirección axial, buscando un equilibrio dinámico de la maquina en esa dirección. Por ser el
ataque del agua en sentido tangencial a la rueda se la denomina también turbina
“tangencial” por tener el fluido un recorrido axial a su paso por el álabe, se clasifica
también entre las máquinas de tipo axial. Encuentra justa aplicación la turbina Pelton, en
aquellos aprovechamientos hidráulicos donde la ponderación de la carga es importante
respecto al caudal. La velocidad especifica es pues baja entre 10 y 60 en el sistema métrico
y entre 2 y 12 en el sistema inglés aproximadamente, siendo preferible valores centrales
entre estos limites por razones del rendimiento, el cual es del orden del 90% y se conserva
bastante bien a carga parcial.
TURBINAS PELTON DE EJE HORIZONTAL Y DE EJE VERTICAL
La clasificación más general que puede hacerse de las turbinas Pelton es en tipos de
eje horizontal y tipos de eje vertical. Existen otras divisiones que toman en cuenta el
número de inyectores por rueda o el número de rotores montados en un mismo eje.
TRIÁNGULO DE VELOCIDADES
En el lenguaje de las turbomáquinas se habla de triángulo de velocidades para
referirse al triángulo formado por tres vectores los cuales son:
La velocidad absoluta del fluido c (vector).
La velocidad relativa del fluido respecto al rotor w (vector).
La velocidad lineal del rotor u (vector).
Estos tres vectores forman un triángulo ya que la suma w(vector) + u(vector) en un
mismo punto es igual a c (vector) en ese punto por leyes del movimiento relativo.
El ángulo entre los vectores c y u es denotado α y el ángulo entre los vectores w y u
es denotado β. Esta nomenclatura es norma DIN 1331
CONCLUSION
Las turbomáquinas se diferencian de otras máquinas térmicas en el hecho de que
funcionan de manera continua y no discreta, como es el caso de los compresores de
émbolo, las bombas de vapor a pistón o los populares motores de pistón, las cuales son
máquinas de desplazamiento volumétrico o positivo. A semejanza de otras máquinas
térmicas, son transformadoras de energía, lo cual es una característica fundamental,
entregándole energía mecánica al fluido de trabajo convirtiéndola en presión (energía
potencial), energía térmica o energía cinética del fluido, pudiendo ser este intercambio en
sentido contrario
Bajo muchas formas las turbomáquinas están presentes en nuestra vida cotidiana,
desde los sencillos ventiladores y las bombas centrífugas que son de uso común, hasta las
grandes turbinas hidráulicas de las centrales hidroeléctricas y las turbinas de vapor o a gas
de las centrales térmicas son turbomáquinas. Es importante destacar que las turbomáquinas
son fundamentales en la conversión electromecánica de energía, es decir, la generación
eléctrica. Es este hecho el cual convierte a las turbomáquinas en un objeto de gran
importancia dentro de la ingeniería mecánica, la cual dedica mucho a su estudio y
proyección.
BIBLIOGRAFIA
ENLACES ELECTRONICOS
http://es.scribd.com/doc/59635047/turbomaquinas#download
http://www.ingenieriafantastica.net/2011/05/introduccion-las-turbomaquinas.html
http://www.elmingme.com.ve/elmingme/turbomaquinas.pdf
http://materias.fi.uba.ar/6720/unidad1.PDF
http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/8854/Capitulo5.pdf
http://franscc.files.wordpress.com/2012/03/ultimo-informe-turbmaquinas-gh.pdf
http://www.unioviedo.es/Areas/Mecanica.Fluidos/docencia/_asignaturas/
mecanica_de_fluidos/05_06/10.TURBOMAQUINAS.pdf
http://es.scribd.com/doc/159540923/Clasificacion-delas-turbomaquinas-y-capitulo-
6-tesis