Las turbomquinas son equipos diseados para conseguir un intercambio energtico entre un fluido (que pasa a su travs de forma continua) y un eje de rotacin, por medio del efecto dinmico de una o varias coronas de labes (fijos y/o mviles). Los nombres que reciben las coronas fijas y mviles son, respectivamente, rotor (rodete, impulsor o hlice, segn el tipo de mquina) y estator (voluta o carcasa, segn el caso). Se diferencian de las mquinas de desplazamiento positivo en que existe continuidad entre el fluido que entra y, por tanto, el intercambio energtico se produce de forma continua. El estudio de las turbomquinas ha progresado mucho en las ltimas dcadas, pasando a ser un campo tecnolgico multidisciplinar y de grandes innovaciones debido al creciente inters por la investigacin del flujo en el interior de los distintos equipos.

DEFINICIN DE TURBOMQUINASSon aquellas que absorben energa de un fluido y restituyen generalmente energa mecnica en el eje, como una turbina de vapor, una turbina hidrulica o bien absorben energa mecnica en el eje y restituyen energa a un fluido como una bomba, un ventilador. El fluido puede ser un lquido o un gas y el rgano, intercambiador de energa mecnica y de fluido, est dotado de movimiento rotativo; de all la palabra Turbo o Turbinis de origen latn que significa que la mquina gira. Las turbomquinas se llaman tambin mquinas de corriente o mquinas dinmicas y en ellas el intercambio de energa es debido a la variacin del momento cintico del fluido en su paso por el rgano intercambiador de energa, dotado de movimiento rotativo, que se llama rodete. La ecuacin de Euler o ecuacin fundamental de las turbomquinas, basada en el teorema del momento cintico, es bsica para el estudio de estas mquinas. La figura 4.1 muestra un corte meridional y un corte transversal de una turbomquina.

Fig. 4.1 Corte longitudinal y transversal de una turbomquina

Partes de una turbomquina

Una turbina Kaplan, sta es una turbomquina motora hidrulica de flujo axial. Vase en rojo las partes rotativas entre las que se encuentra un Generador elctrico en este caso. Una turbomquina consta de diversas partes y accesorios dependiendo de su tipo, aplicacin y diseo. Por ejemplo un ventilador puede ser una turbomquina que slo conste de un rbol, motor, rotor y soporte, mientras que un compresor centrfugo o una bomba semi-axial puede tener muchas partes que incluso no comparta con las dems turbomquinas existentes. Sin embargo, la mayora de las turbomquinas comparten el hecho de tener partes estticas y rotativas; y dentro de estos conjuntos puede haber diversos elementos los cuales muchas turbomquinas comparten y una enumeracin competente puede ser la siguiente:

Partes rotativas Rodete El Rodete es el corazn de toda turbomquina y el lugar donde aviene el intercambio energtico con el fluido. Se suelen emplear los ndices 1 y 2 para establecer la entrada y salida del rodete. Est constituido por un disco que funciona como soporte a palas, tambin llamadas labes, o cucharas en el caso de las turbina Pelton. La geometra con la cual se realizan los labes es fundamental para permitir el intercambio energtico con el fluido; sobre stas reposa parte importante del rendimiento global de toda la turbomquina y el tipo de cambio energtico generado (si la energa ser transferida por cambio de presin o velocidad). Los tipos de rotores pueden ser axiales, radiales, mixtos o tangenciales, para su fcil identificacin y distincin se hace uso de representaciones por proyeccin especficas.

y

Rotor Radial.

y

Rotor Axial.

Eje o rbol Tiene la doble funcin de trasmitir potencia (desde o hacia el rotor) y ser el soporte sobre el que yace el rotor. En el caso de las turbomquinas generadoras ste siempre est conectado a alguna clase de motor, como puede ser un motor elctrico, o incluso una turbina como es comn en los turborreactores, muchas veces entre el rbol y el motor que mueve a la turbomquina se encuentra algn sistema de transmisin mecnica , como puede ser un embrague o una caja reductora. En el caso de las turbomquinas generadoras, es frecuente encontrar un generador elctrico al otro extremo del rbol, o incluso hay rboles largos que soportan al rotor en el medio y en un extremo se encuentra una turbomquina generadora y al otro un generador. Partes estticas Al conjunto de todas las partes estticas de la turbomquina (y en otras mquinas tambin) se le suele denominar estator.

Entradas y Salidas Estas partes son comunes en todas las turbomquinas, pero pueden variar de forma y geometra entre todas. Existen turbomquinas generadoras de doble admisin, es decir, que tienen dos entradas diferenciadas y una salida nica de fluido. Estas partes pueden constar de una brida en el caso de la mayora de las bombas y compresores, pero en las turbinas hidrulicas grandes, slo son grandes tuberas y la salida muchas veces tiene forma de difusor. En los molinos de viento, por ejemplo, la entrada y la salida slo pueden ser superficies imaginarias antes y despus del rotor. El distribuidor, es el rgano cuya misin es conducir el fluido desde la seccin de entrada hacia el rodete. Se suelen utilizar los ndices 0 y 1 para designar las magnitudes a la entrada del distribuidor y a la salida (entrada en el rodete). Por otro lado, el difusor es elemento que se encuentra a la salida del rodete y que disminuye la velocidad del fluido, adems acondicionar hidrulicamente el fluido para conduccin. labes directores Tambin llamados palas directoras, son labes fijos al estator, por los cuales pasa el fluido de trabajo antes o despus de pasar al rotor a realizar el intercambio energtico. Muchas turbomquinas carecen de ellos, pero en aquellas donde si figuran stos son de vital importancia. En las turbomquinas motoras se encargan de dirigir el fluido en un cierto ngulo, as como acelerarlo para optimizar el funcionamiento de la mquina. En las turbomquinas generadoras se encuentran a la salida del rotor. Los labes directores tambin pueden llegar a funcionar como reguladores de flujo, abrindose o cerrndose a manera de vlvula para regular el caudal que entra a la mquina.

Cojinetes, rodamientos o rolineras Son elementos de mquina que permiten el movimiento del eje mientras lo mantienen solidario a la mquina, pueden variar de tipos y tamaos entre todas las turbomquinas.

Sellos Son dispositivos que impiden la salida del fluido de la turbomquina. Cumplen una funcin crtica principalmente en los acoplamientos mviles como en los rodamientos. Pueden variar de tipos y ubicacin dentro una turbomquina a otra.

Intercambio de energa entre el fluido y la turbomquina Cuando el fluido de trabajo pasa a travs de la turbomquina la naturaleza del intercambio de energa es muy compleja debido a la cantidad de procesos termodinmicos irreversibles que ocurren, adems de la naturaleza complicada y muchas veces catica del movimiento del fluido en el seno del rotor. Para obtener una primera consideracin de este intercambio energtico se deben hacer consideraciones tericas sobre la naturaleza del fluido y su comportamiento a travs del rotor, esto con la finalidad de simplificar el modelado matemtico del fluido en su paso por el rotor.y y

El fluido que pasa por el rotor es un fluido potencial. Todas las lneas de corriente tienen la misma forma que cada uno de los labes o paletas del rotor, esto sera equivalente a decir que el rotor tiene un "infinito" nmero de labes.

y

Las caractersticas del rgimen de flujo no varan en el tiempo, es decir, el flujo se encuentra completamente desarrollado, o en otras palabras, nos encontramos en rgimen permanente.

Una vez declaradas estas simplificaciones podemos aludir a las leyes de conservacin de la mecnica y a la ecuacin de transporte de Reynolds de manera sencilla; pero dependiendo de la trayectoria del flujo de fluido a travs del rotor las formulaciones sern distintas.

CLASIFICACIN DE LAS TURBOMQUINAS

Las turbomquinas se clasifican segn tres criterios: Segn la compresibilidad del fluido a) Turbomquinas Trmicas Cuando el fluido experimenta una variacin de la densidad en su paso a travs de la mquina, es decir el fluido se considera compresible. Ejemplo: Turbinas de Vapor, Turbinas de Gas, Compresores. Figura 4.2

Turbina de gas o vapor de flujo axial

Fig. 4.2 Ejemplo de Turbomquinas Trmicas.

b) Turbomquinas Hidrulicas Su diseo se hace sin tener en cuenta la variacin de la densidad o del volumen especfico a travs de la mquina. En estas turbomquinas el fluido de trabajo no necesariamente es agua aunque etimolgicamente esto signifique la palabra hidrulica, ni siquiera tiene que ser un lquido; el fluido tiene que ser incompresible. Ejemplo: una bomba, una turbina hidrulica, un ventilador. La figura 4.3 muestra un ejemplo de turbomquina hidrulica.

Fig. 4.3 Bomba centrfuga con y sin difusor radial.

Segn el sentido de intercambio de energa a) Turbomquinas Motoras En ellas el fluido cede energa a la mquina disminuyendo la energa del fluido en su paso por la mquina. Producen potencia expandiendo el fluido hasta una presin mas baja. Ejemplo: Turbinas de Vapor, Turbinas de Gas y Turbinas Hidrulicas. La Turbina de vapor (Figura 4.4). El vapor incide sobre el rodete o rodetes de la turbina a travs de una o mas toberas, o por una corona fija de labes. El vapor cede su energa cintica obtenindose energa til en el eje de la turbina. La expansin del fluido ocurre tanto en los labes fijos como en los labes mviles del rodete.

Fig. 4.4 Turbina de vapor de flujo axial. La Turbina de Gas . (Figura 4.5). En esta figura aparece un esquema de una turbina de gas de flujo mixto.

Fig. 4.5. Turbina de gas de flujo mixto.

La Turbina Hidrulica. (Figura 4.6). Es una turbomquina motora constituida por un canal de llegada, una caja espiral que transforma presin en velocidad, un distribuidor que acta como tobera, y tambin transforma presin en velocidad, el rodete, y un tubo de aspiracin a la salida. Pueden ser de accin y de reaccin. En las turbinas de accin, la cada de presin ocurre fuera del rodete es decir en toberas donde la energa de presin se transforma en energa de velocidad. Ejemplo: la turbina Pelton. En las turbinas de reaccin, la cada de presin sucede a travs del rodete. Ejemplo: dentro de las de flujo semiaxial se encuentran la turbina Francis, la turbina Deriaz; dentro de las de flujo axial se encuentran las turbinas de hlice y las de labes orientables o turbina Kaplan.

Corte Esquemtico. Turbina Francis

Corte Esquemtico. Turbina Pelton

Corte Esquemtico. Turbina Kaplan Fig. 4.6 Corte meridional y transversal de algunas turbinas hidrulicas

b) Turbomquinas Generadoras En ellas la mquina comunica energa al fluido. La energa aumenta en su paso por la mquina. Absorben potencia para incrementar la presin del fluido. Ejemplo: Bombas, Compresores, Ventiladores. Bombas. (Figura 4.7). La bomba absorbe energa mecnica y restituye al lquido que la atraviesa energa hidrulica. El rodete comunica energa al fluido en forma de energa cintica que luego se transforma en energa de presin a travs del difusor. Las bombas pueden ser centrfugas y axiales.

Fig. 4.7 Corte transversal de una bomba centrfuga

Bombas: En cuanto a la base de funcionamiento tenemos las bombas de desplazamiento y las bombas de intercambio de cantidad de movimiento. Las bombas de desplazamiento posen un contorno mvil que obliga al fluido a avanzar a travs de la mquina. Tanto a la entrada como a la salida de estas mquinas existen unas vlvulas que se abren y cierran alternativamente.

Por otro lado, las bombas de intercambio de cantidad de movimiento, como se ha comentado, forman parte de las turbomquinas. Segn la direccin del flujo a la salida del rodete, pueden subdividirse en los siguientes grupos: Bombas centrfugas (salida perpendicular al eje) Bombas hlice (flujo paralelo al eje) Bombas helicocentrfugas (flujo mixto)

Las bombas centrfugas elevan poco caudal de agua a una gran altura, se utilizan principalmente en el abastecimiento de agua. Su velocidad especifica varia entre 10 y 100, consiguindose el mejor rendimiento con velocidad especifica 50. Las bombas hlice (axiales) eleva mucho caudal a poca altura, son utilizadas en saneamiento, elevacin de grandes trasvases y procesos industriales. Su velocidad especfica vara entre 200 y 320, encontrando el mejor rendimiento con una velocidad especfica de 250. Las bombas helicocentrfugas trabajan entre ambos campos de aplicacin, por lo que pueden utilizarse en cualquiera de estos campos con sus limitaciones. Su velocidad especfica est comprendida entre 75 y 200, encontrndose el mejor rendimiento en las de velocidad especfica 130. Recordemos que la velocidad especfica tiene carcter adimensional, fijndose con ella toda la familia geomtricamente semejante en condiciones anlogas de funcionamiento. Relacionan la velocidad angular de giro, el caudal trasvasado y la altura salvada. Nos centraremos en las centrfugas, ya que son de clara aplicacin a las necesidades de abastecimiento de agua desde sondeos. Las bombas centrfugas pueden clasificarse a su vez:

Bombas centrfugas horizontales. Bombas centrfugas verticales. Bombas centrfugas sumergidas.

Las bombas centrfugas horizontales hacen mencin su nombre a la orientacin de su eje. Ocupan ms espacio que las bombas verticales. Son econmicas y de fcil mantenimiento. Presentan problemas por descebado. Las bombas centrfugas horizontales se clasifican en: Monobloc: Eje nico para el motor y la bomba. Facilita la instalacin y de

menor coste del conjunto. En caso de avera dependemos del fabricante. Eje libre: Los ejes son distintos. Es necesario su acoplamiento. Hay que

prestar gran atencin a la bancada y a la alineacin de los ejes. Nos da libertad en la averas al poder independizar motor y bomba. Las bombas centrfugas verticales se instalan con el eje en posicin vertical. Usualmente la bomba va sumergida y el motor suspendido sobre una plataforma, estando ambos conectados a travs de un eje de transmisin. Presenta graves problemas de alineamiento, precisamente conseguir una perfecta verticalidad es lo que determina la vida de estos equipos, y no deben de instalarse a ms de 9 10 metros. Las reparaciones son costosas. Las bombas centrfugas sumergidas son equipos en los que el motor (estanco) y la bomba estn unidos y sumergidos. Siempre est en carga y se pueden instalar en pozos profundos. Precisamente la instalacin de este tipo de bombas es el objeto de estudio de esta ponencia.

Podemos encontrarnos bombas de cuerpo nico o de cmara partida, la diferencia se encuentra si el acceso al rodete se realiza por la brida de aspiracin, o por el contrario se encuentra seccionado por un plano horizontal a la altura del eje.

Ventiladores. ( figura 4.8) Un ventilador esencialmente es una bomba de gas en vez de lquido. Por tanto, un ventilador es una turbomquina de fluido generadora para gases. En un ventilador, el gas no vara sensiblemente de densidad y por tanto de volumen especfico, por lo que se puede considerar incompresible. Esto se debe a que el incremento de presiones es pequeo. La experiencia confirma que si mm de agua, el gas prcticamente puede suponerse incompresible. En el caso contrario se empiezan a sentir los efectos de la compresibilidad del gas. Los ventiladores se clasifican en centrfugos y axiales.

Fig. 4.8 Isometra y despiece de un ventilador centrfugo.

Compresores. (Figura 4.9) Son turbomquinas trmicas generadoras. La mquina comunica energa al fluido que sirve para comprimir el gas. Los compresores pueden ser radiales y axiales. En los ciclos de turbina de gas se encuentra presente el compresor, el cual absorbe parte de la potencia producida por la turbina.

Fig. 4.9 Compresor centrfugo y compresor axial

Segn la direccin del flujo a) Turbomquinas de flujo axial Cuando la trayectoria del flujo que atraviesa la mquina es paralela al eje de rotacin (Figura 4.10)

Fig. 4.10 Algunas turbomquinas de Flujo Axial

b) Turbomquinas de flujo radial Cuando la trayectoria del flujo est en un plano perpendicular al eje de rotacin. (Figura 4.11). Ejemplo: la bomba centrfuga, el ventilador o soplador centrfugo, rl compresor centrfugo.

Fig. 4.11 Turbomquinas de flujo radial

c) Turbomquinas de flujo mixto Cuando en la direccin del flujo en la salida del rotor intervienen las componentes axial y radial de la velocidad. (Figura 4.12)

Fig. 4.12 Turbomquinas de flujo mixto