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 O T O R A S G E N R A D O R A 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, velocidad, caudal, temperatura, densidad, viscosidad, )
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 (v 2 /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 U 1 = U 2. 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.