TURBOMÁQUINAS

Jaime Rodríguez Lancha

Ángel Velilla Cabalín

Guillermo Muela Carranza

TURBOMÁQUINA

DEFINICIÓN

CLASIFICACIÓN

DE ACCIÓN: -Transformación de energía en inyector o distribuidor

- Son aquellas en las que el fluido de trabajo no sufre un cambio de presión importante en su paso a través de rodete.

- Presión entrada = Presión salida

- Turbina Pelton (Flujo tangencial)

- Número específico de revoluciones bajo

- Álabes fijos

- Aprovechan únicamente la velocidad del flujo de agua

DE REACCIÓN: - Son aquellas en las que el fluido de trabajo si sufre un cambio de presión importante en su paso a

través de rodete. - Presión entrada > Presión salida

- Transformación de energía en el rodete

- Solo recibe energía potencial

- Turbinas Kaplan (flujo radial) , Francis (flujo dia-gonal), De hélice (flujo radial)

- Las hay de álabes fijos (de hélice y Francis) y móviles u orientables (Kaplan)

- Número específico de revoluciones medio – alto

- Aprovechan además la pérdida de presión que se produce en su interior

GRADO DE REACCIÓN:

- Se define como el cociente entre la energía entregada en forma de presión y la energía total entregada.

- Representa la clasificación de las turbinas dentro de este género

- Es 0 para las turbinas de acción

-Es 1 para las turbinas de reacción pura'

21 )(

H

PP

Según la dirección del flujo en el rodete:

-AXIALES: El flujo llega axialmente a los álabes del rodete de la turbina.

-RADIALES: La dirección del flujo de salida es perpendicular al eje.

-MIXTAS: El flujo de salida es axial, radial y tangencial.

PÉRDIDAS HIDRÁULICAS- Perdidas debido al rozamiento del flujo, proporcionales al cuadrado del

caudal :

Perdidas por choques del flujo con los alabes, ya que este no entra tangente a los alabes:

A la salida el flujo lleva cierta velocidad que en muchas ocasiones no se aprovecha, lo que supone una perdida

Pérdidas volumétricas o intersticiales -El caudal que entra y sale de la bomba (Q) no es el mismo que pasa por el interior del rodete, una parte (q) circula entre el rodete y la carcasa.

- Turbina:

- Bomba:

Pérdidas mecánicas o exteriores -Rozamiento cojinete – eje

-Rozamiento del fluido entre la carcasa y el rodete al girar

POTENCIAS- Salto energético entre la entrada y la salida de una turbo máquina, positivo para turbina y negativo para bombas

-POTENCIA DE FLUJO:

-POTENCIA INTERIOR EN EL EJE (Real y teórica):

-POTENCIA EXTERIOR EN EL EJE:

RENDIMIENTOS-RENDIMIENTO HIDRÁULICO:

Turbina: Bomba:

-RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO:

Turbina: Bomba:

-RENDIMIENTO MECÁNICO:

Turbina: Bomba:

-RENDIMIENTO GLOBAL (Producto de los otros 3 rendimientos): Turbina: Bomba:

ECUACIÓN DE EULER- La fuerza F que actúa sobre los alabes viene dada por la expresión:

- Las fuerzas 1 y 2 de entrada y de salida del volumen de control no contribuyen en el par motor, pues este par es provocado solopor la fuerzas que causan la variación de cantidad de movimiento.

-El momento resultante respecto al eje de giro o par motor M:

-Al multiplicar por la velocidad angular y dejando la ecuación en función de los ángulos del chorro con los álabes y dividiendo entre obtenemos la ecuación fundamental de la turbomáquinas:

m

- La ecuación de Euler:

- Es aplicable tanto a fluidos compresibles como incompresibles.

- No depende de la trayectoria del fluido en el rodete, solo de las condiciones de entrada y de salida del mismo.

- Es aplicable con independencia de las condiciones más o menos favorables de funcionamiento

- La ecuación del par puede aplicarse también a partes fijas de la turbomáquina:

-Si hay paletas que modifiquen la velocidad del flujo y/o su cantidad de movimiento, el momento será distinto de cero.

- Si no hay paletas, o habiéndolas no modifican el momento, el par motor resulta nulo

Segunda forma de la ecuación de Euler:

-Comparándola con la ecuación fundamental de Euler obtenemos:

- Positivo en turbinas

- Negativo en bombas

- Aplicando la ecuación de la energía entre la entrada y la salida del rodete y despreciando la pérdida de carga en el rodete además de despreciar las velocidades tangenciales al convenirnos un flujo axial para pequeñas alturas, se obtiene:

- Donde una parte de la energía que el flujo intercambia con el rodete es cinética y la otra parte es de presión.

- En las turbinas de acción, como la energía potencial es nula, toda la energía cedida por el flujo al rodete es cinética ya sin despreciar las velocidades tangenciales:

SEMEJANZA EN TURBOMÁQUINAS- Para que se de la semejanza cinemática en turbomáquinas, exigiremos solamente:

a) Semejanza geométrica.b) Condiciones análogas de funcionamiento ( semejante triángulo de velocidades)

c) Viscosidad cinemática baja: para que el número de Reynolds sea muy alto y no

influya en las semejanzas

La fórmula de Moody permite estimar la variacion del rendimiento en función de la relación lineal aceptable tanto para turbinas como para bombas:

Relación de velocidades y alturas:

-Puesto que obtenemos:

Relación de velocidades y revoluciones:

-Como el número de revoluciones es obtenemos la siguiente expresión:

HgV 2/2

Relaciones de semejanza:

-Tomamos como variables independientes, a parte de la escala , la altura del salto en turbinas y el número de revoluciones en bombas

-Relaciones de semejanza en turbinas:

- Relación de número de revoluciones

- Relación de caudales

- Relación de potencias

Han de cumplirse todas las relaciones sino no tendrían validez conjuntamente

-Relaciones de semejanza en bombas:

-Relación de alturas:

-Relación de caudales:

-Relación de potencias:

-Destaquemos que tanto para la turbina como para la bomba lo más frecuente es que y suponemos el mismo rendimiento.

- La viscosidad cinemática del fluido a bombear si es similar o inferior a la del agua los números de Reynolds son muy grandes y las semejanzas se cumplen de lo contrario no lo harían

Velocidad específica de una turbomáquina

a) Turbinas hidráulicas

- Eliminando la escala se obtiene una relación entre potencia y altura para la velocidad específica que son los datos necesarios:

b) Bombas hidráulicas

- Los datos son la altura y el caudal de la instalación expresándose la velocidad específica en función de estos:

4/5*

2/1*

H

Pnn es

· Bomba hidráulica:

Se puede llamar bomba a toda turbomáquina consumidora de energia, pero específicamente llamaremos bomba a la que se utiliza para elevar fluidos. Cuando el fluido es un gas, se clasifica en: 

· ventilador(incremento de presión pequeño)· soplante (incremento de 0,07 a 3 bar)· compresor (superando los 3 bar)

· Clasificacion de las bombas según su funcionamiento:

· BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO

·BOMBAS DE INTERCAMBIO DE MOVIMIENTO

· Bombas de desplazamiento

-Tienen un contorno movil de volumen variable, que obliga al fluido a avanzar a traves de la maquina.

-Un ejemplo claro es el de las bombas de 2 valvulas, una de entrada y otra de salida-De este tipo de bombas existe una gran variedad, he aquí algunos ejemplos:

 

·Bombas de intercambio de movimiento

-Son tambien llamadas rotodinamicas.-En este tipo de bombas hay uno o varios rodetes con álabes que giran generando un campo de presiones en el fluido.

Pueden subdividirse en los siguientes grupos: a)Radiales o centrífugas, el líquido sale de la bomba en sentido perpendicular al eje de giro. El agua en rotación tiende a escapar hacia fuera produciendo un vacío en su desplazamiento.

b) Axiales o de helice, el impulsor tiene la forma de hélice o tornillo, por lo que el flujo del agua se produce en la dirección del eje del mismo

c) Diagonales o helicocentrífugas el flujo de agua es producido conjuntamente por la fuerza centrífuga y por el empuje de los álabes..

·Bombas centrífugasEl fluido entra al rodete. A la salida del rodete, el fluido es recogido por la voluta, carcasa de sección creciente.

En la salida, los alabes están orientados en sentido contrario al sentido de rotación, pues de esa forma se favorece la circulación del fluido.  

· Triángulos de velocidadesEl líquido llega a la entrada del rodete en dirección normal al plano de la figura, (dirección axial), y cambia a dirección radial recorriendo el espacio o canal delimitado entre los álabes.

Donde:w: velocidad relativa. u: velocidad de arrastre(tangencial).c: la velocidad absoluta (suma vectorial de las anteriores velocidades)

TRIANGULO DE ENTRADA (1)  Velocidad relativa w  Velocidad tangencial u  Velocidad absoluta c    es el angulo formado por c y u   es el angulo formado por w y u

TRIANGULO DE SALIDA (2) Velocidad relativa w  Velocidad tangencial u  Velocidad absoluta c    es el angulo formado por c y u   es el angulo formado por w y u

· Ecuación de Euler

Aplicando la ecuación de Euler al impulsor de una bomba hidraulica tenemos:

De no tener paletas guías (que es lo mas usual) tendría la siguiente forma:

222 coscuwt

111222 coscos cucuwt

· Curva motriz teorica H-Q

Relaciona la altura H con el caudal suministrado Q.

Que para un regimen de giro concreto es una recta. Pueden darse estos 3 casos a la hora de representarla:

1- con alabes curvados hacia delante2- alabes radiales3- alabes curvados hacia atrás

· Curva teorica H-Q

Con un numero finito de alabes y los ángulos diferentes, esto se traduce en una menor altura. Por lo que podemos escribir:

Siendo una relacion empirica entre alturas que viene dada por la siguiente ecuación:

· Curvas características reales

Altura:

Potencia util

Potencia exterior en el eje

Rendimiento global

· Rendimiento de las bombas según su velocidad especifica y su tamaño

La figura muestra una idea de las bombas según su velocidad especifica:

· Cavitacion en bombas

-Cavitación: proceso de formación y posterior colapso (implosión) de burbujas de gas (cavidades) en el seno de un líquido.

-La cavitación puede aparecer en líquidos en reposo o en movimiento, siendo la única condición necesaria el alcanzar el estado de equilibrio líquido-vapor.

-Afecta a los rodetes tanto de bombas como de turbinas hidráulicas.

· Acoplamiento de bombas a la redBombas en paralelo.En instalaciones importantes en las que se prevé una significativa fluctuación de caudal, se reparte la demanda máxima de caudal entre varias bombas iguales acopladas en paralelo, descargando a la vez en un colector común conectado a la tubería de impulsión.

A medida que aumenta la demanda de caudal en la red, irían entrando una a una en funcionamiento. Lo normal es que la puesta en marcha y la parada de las sucesivas bombas se haga automáticamente.

Bombas en serie.

Cuando 2 ó más bombas se acoplan en serie, figura 7.23, el caudal va sufriendo sucesivamente una relevación, de altura cuando están distantes y de presión cuando está una inmediatamente después de la otra.

Es poco frecuente encontrar instalaciones con bombas diferentes acopladas en serie. El acoplamiento en serie resulta de interés cuando hay que suministrar alturas elevadas y existe limitación de diámetros

CENTRALES ELECTRICAS

TIPOS DE CENTRALES:

-CENTRALES TERMICAS

-CENTRALES NUCLEARES

-CENTRALES HIDRAULICAS

-CENTRALES MAREOMOTRICES

-CENTRALES EOLICAS

-CENTRALES SOLARES

CENTRALES TERMICAS

GENERAN ENERGIA ELECTRICA A PARTIR DE ENERGIA CALORIFICA.

LOS COMBUSTIBLES USADOS PUEDEN SER CARBON, GAS, PETROLEO…

LA ENERGIA CALORIFICA SE CONVIERTE EN MECANICA MOVIENDO LA TURBINA…

CENTRALES TERMICAS

CENTRALES NUCLEARESGENERAN ENERGIA ELECTRICA A PARTIR DE ENERGIA NUCLEAR POR FISIÓN DE NÚCLEOS DE URANIO PRINCIPALMENTE

SE CARACTERIZAN POR EL EMPLEO DE MATERIALES FISIONABLES QUE AL REACCIONAR GENERAN CALOR

CENTRALES NUCLEARES

CENTRALES HIDRAULICASGENERAN ENERGIA ELECTRICA A PARTIR DE ENERGIA MECANICA

APROVECHAN LA ENERGIA POTENCIAL QUE DA EL DESNIVEL (SALTO GEODESICO)

EL AGUA EN SU CAIDA MUEVE UNA TURBINA HIDRAULICA

CENTRALES HIDRAULICAS

CENTRALES MAREOMOTRICESAPROVECHAN LAS SUBIDAS Y BAJADAS DE LAS MAREAS JUNTO CON

MECANISMOS DE DEPOSITO Y CANALIZACION.

ENERGIA LIMPIA Y RENOVABLE

CENTRALES EOLICASTRANSFORMACION DE ENERGIA EOLICA EN ENERGIA ELECTRICA

MOTOR ELECTRICO (MAQUINA REVERSIBLE)

CENTRALES SOLARESAPROVECHAN LA RADIACION SOLAR

CALIENTAN UN FLUIDO, PRODUCIENDOSE UN CICLO TERMODINAMICO

CON POTENCIA NECESARIA PARA MOVER UN ALTERNADOR

CLASIFICACION DE LAS CENTRALES HIDROELECTRICAS

-DE AGUA FLUYENTE

-DE AGUA EMBALSADA

-DE REGULACION

-DE BOMBEO

-DE ALTA, MEDIA Y BAJA PRESION

CENTRAL HIDROELECTRICA DE AGUA FLUYENTE

-POCO CORRIENTES (GRANDES CAUDALES, INCONSTANTES DURANTE EL AÑO)

- ENERGIA HIDRAHULICA UTILIZADA DIRECTAMENTE PARA ACCIONAR LAS TURBINAS

- CON RESERVA Y SIN RESERVA

CENTRAL HIDROELECTRICA DE AGUA EMBALSADA

- SE ALMACENA EL AGUA EN EMBALSES

-SE REGULAN LOS CAUDALES DE SALIDA

- REQUIEREN UNA INVERSION MAYOR

CENTRAL HIDROELECTRICA DE BOMBEO

-POSIBILITAN EL EMPLEO MAS RACIONAL DE LA CENTRAL

- CONSTAN DE 2 EMBALSES A DISTINTO NIVEL.

- DURANTE EL DIA Y CUANDO MAS DEMANDA HAY FUNCIONAN DE MANERA CONVENCIONAL

- DURANTE EL RESTO DEL DIA EL AGUA ES RECONDUCIDA AL EMBALSE SUPERIOR PARA COMENZAR DE NUEVO EL CICLO.

- DISPONE DE MOTORES BOMBA O DE TURBINAS REVERSIBLES.

CENTRAL HIDROELECTRICA DE BOMBEO

CENTRAL HIDROELECTRICA DE ALTA, MEDIA Y BAJA PRESION

- ALTA PRESION

MAS DE 200 m DE CAIDA DE AGUA

- MEDIA PRESIÓN

ENTRE 20 Y 200 m DE CAIDA DE AGUA

- BAJA PRESION

MENOS DE 20 m DE CAIDA DE AGUA

TURBINA

CLASIFICACION GENERAL DE LAS TURBINAS

ACCIÓN

-EL FLUIDO NO SUFRE UN CAMBIO DE PRESION IMPORTANTE

- TOBERAS (ORGANOS FIJOS)

REACCIÓN

-EL FLUIDO SUFRE UN CAMBIO DE PRESION IMPORTANTE

- RODETES(ORGANOS MOVILES)

LAS TURBINAS DE REACCIÓN SON REALMENTE MIXTAS(ACCION-REACCION)

TURBINA PELTON

1- Rodete

2- Cuchara

3- Aguja

4- Tobera

5- Conducto de entrada

6- Mecanismo de regulación

7- Cámara de salida

TURBINA PELTONFUNCIONAMIENTO:

-Un chorro de agua convenientemente dirigido y regulado, incide sobre las cucharas del rodete que se encuentran uniformemente distribuidas en la periferia de la rueda.

-Debido a la forma de la cuchara, el agua se desvía sin choque, cediendo toda su energía cinética, para caer finalmente en la parte inferior y salir de la máquina.

-La regulación se logra por medio de una aguja colocada dentro de la tobera.

TURBINA PELTONRENDIMIENTO:

A PARTIR DE LA ECUACION DE EULER…

TENIENDO EN CUENTA LAS CONDICIONES DE LA TURBINA PELTON…

POTENCIA:

222111 coscos cucuHgW tt

2

cos1 2* h

HQPE

TURBINA FRANCIS

TURBINA FRANCISVENTAJAS:

-PERMITE BAJAS PERDIDAS HIDRAULICAS POR LO QUE GARANTIZA UN ALTO RENDIMIENTO.

- DISEÑO ROBUSTO QUE DA UNA LARGA DURACION.

- PEQUEÑAS DIMENSIONES Y ALTA VELOCIDAD DE GIRO

- CADA VEZ MENOS MANTENIMIENTO.

DESVENTAJAS:

-NO ACONSEJABLE PARA VARIACIONES DE CAUDAL

- PROBLEMAS DE CAVITACION

TURBINA FRANCIS

RENDIMIENTO:

A PARTIR DE LA ECUACION DE EULER…

*1

*11 cos2 Uch

Rodete turbina Francis

TURBINAS KAPLAN

- ES UNA TURBINA DE HELICE CON ALABES AJUSTABLES

-LA INCIDENCIA EN EL BORDE DE ATAQUE DEL ALABE ES OPTIMA PARA CAUDALES O CARGA VARIABLE.

- SE OBTIENE UN RENDIMIENTO ELEVADO.

-DESPIECE PARECIDO A LA FRANCIS.

TURBINAS BULBOSON APTAS PARA SALTOS PEQUEÑOS Y GRANDES CAUDALES

SU FUNCIONAMIENTO ESTA BASADO EN EL PASO DE AGUA ENTRE UNA

ENVOLVENTE Y UNA PARED CONCENTRICA DE MAYOR DIAMETRO,

PASA POR LAS ALETAS FIJAS, LUEGO POR UNAS ALETAS GUIA Y

FINALMENTE POR UN RODETE TIPO KAPLAN