Capítulo IIntroducción a Turbomaquinas

FAC. DE ING. MECÁNICA

UMSNH

Sergio Galván Ph.D.

Temario

• Definición

• Clasificación General

• Aplicaciones

• La palabra turbo maquina es derivada de la palabralatina Turbo, lo que significa que gira o rota.

• Esta definición incluye varios tipos de máquinas,cuya característica principal es que tienen una flechaque gira y sobre la cual están montados un númerode alabes que se mueven porque el fluido de trabajoentra en contacto con ellos.

• 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.

• Una Turbomáquina es aquella máquinacuyo componente principal es un rotor através del cual pasa un fluido de formacontinua cambiando su cantidad demovimiento, siendo esto aprovechadocomo una entrega de energía del fluido ala máquina (turbomáquinas motoras) o dela máquina al fluido (turbomáquinasgeneradoras).

Panorama cualitativo de los campos científico-técnológico que intervienen en el estudio de las turbomáquinas

El estudio de las turbomáquinas ha progresado mucho en las últimas décadas,pasando a ser un campo tecnológico multidisciplinar y de grandes innovacionesdebido al creciente interés por la investigación del flujo en el interior de los distintosequipos.

Las variables básicas que intervienen en el estudio de turbomáquinas

• 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,…)

Aspectos importantes de las Turbomáquinas

• Están compuestas principalmente de un rodete,también llamado rotor o alabes móviles.

• Por el rotor pasa un fluido continuo, no tiene queser constante sólo continuo (no se acumula ni sepierde fluido, éste sólo entra y sale del rotor demanera continua).

• Existe un cambio de la cantidad de movimientodel fluido, generando fuerzas que se aplican alrotor.

Clasificación de las Turbomáquinas

• Según su aprovechamiento de energía.

• Según el tipo de fluido de trabajo.

• Según la forma del rodete o la proyección que tiene el fluido cuando pasa a través de la turbomáquina.

• Según el cambio de presión del fluido al pasar a través del rodete.

CLASIFICACIÓN• Fluido que manejan:

– Turbomaquinas de fluido compresible

– Turbomaquinas de fluido incompresible:

• Aprovechamiento de energía

– Generadoras de energía al fluido

– Receptoras de energía del fluido

• Cambio de presión en el rodete.

– Turbinas de reacción

• La energía disponible en forma de presión es convertida en energía mecánica

– Turbinas de acción

• No hay variación de presión en el rotor

• Solamente la energía cinética se transforma en energía mecánica.

• Forma del rodete

– Axiales

– Radiales

– Mixtas

Hidráulicas

Flujo incompresible

Térmicas

Flujo compresible

Generadora

Receptora

Generadora

Receptora

Aumento de presiónBombas

Aumento de energía potenciaTornillo de Arquímides

Generación energía cinéticaHélices marinas

T

U

R

B

O

M

Á

Q

U

I

N

A

S

Disminución de energía cinéticaTurbinas Pelton (Acción)

Disminución de presión

Aumento de energía cinéticaventiladores ΔP>7kPa

Sopladores ΔP<300 kPa

Aumento de presión

Compresores ΔP>300 kPa

Aumento de energía cinéticaHélices (Aeronáutica)

Turbinas de vapor

Disminución de entalpía

Turbinas de gas

Disminución de energía cinéticaAeroturbinas

Turbinas KaplanAxial

Turbinas Francis Radial

Forma del Rodete o Proyección del Fluido

Aprovechamiento de energía

Generadora: e2>e1 Motora: e1>e2

Flujo Axial en una turbina

Acoplamiento circunferencial (x,) de un rotor- estator

Vista meridional en 3D y 2D

Vista en cascada

SUPOSICIONES• El flujo es simétrico en la dirección circunferencial. No hay variación

en el flujo de un lado de los alabes al otro.

• Se considera un flujo medio entre el hub y el casing. Esto esrazonable para alabes cortos, sin embargo para álabes mas largosse debe hacer el cálculo a diferentes radios.

• El flujo es estable. Aunque el estado del arte en el diseño de losalabes sugiere un flujo inestable, la mayoría de la turbomaquinaríaactual ha sido diseñada con la suposición de flujo estable.

•

• El flujo sigue exactamente al álabe. No existe desviación entre ladirección que los alabes señalan y la dirección en la que el fluidoviaja. El flujo sigue el ángulo de los álabes.

Aplicaciones de las Turbomaquinas

Propulsión con turbinas de gas Generación de energía con turbinas de viento

Rotor de una turbina de vapor Bomba de agua

Hélice marina

Turbina Kaplan

Tornillo de Arquímides

Compresor axial