TURBOMÁQUINAS

1. TURBOMÁQUINAS Prof.: Redlich García Departamento de Energía La Universidad del Zulia

2. Contenido Programático

3. Bibliografía • 1.- Mecánica de fluidos : termodinámica de las turbomáquinas Dixon, S. L. (Autor) Madrid : Dossat, 1981  • 2.- Turbomáquinas térmicasMataix, Claudio (Autor) Madrid : Dossat 1973    

4. Turbomáquinas Tema Nº 1: Introducción. Definición y clasificación de la Máquinas de Fluido Prof.: Redlich García Departamento de Energía La Universidad del Zulia

5. Introducción. Definición y clasificación de la Máquinas de Fluido Máquina de fluido: Son máquinas de fluido aquéllas que intercambian energía mecánica con un fluido que las atraviesa. Si en el proceso el fluido incrementa su energía, la máquina se denomina generadora (compresores, bombas), mientras que si la disminuye, la máquina se denomina motora (turbinas, motores de explosión).

6. Introducción. Definición y clasificación de la Máquinas de Fluido Las máquinas de fluido se clasifican en función de la compresibilidad del fluido en: 1.-Máquina hidráulica o máquina de fluido incompresible Son las máquinas que trabajan con líquidos (por ejemplo, agua) pero además se incluyen aquellas que trabajan con gases cuando éstos se comportan como incompresibles, como por ejemplo los ventiladores. Estas máquinas aprovechan únicamente la energía mecánica disponible en el fluido (cinética y potencial) 2.-Máquina térmicaomáquina de fluido compresible ya sean condensables (caso de la máquina de vapor) o no condensables (como la turbina de gas). Estas aprovecha la energía térmica del fluido

7. Introducción. Definición y clasificación de la Máquinas de Fluido Las máquinas de fluido también se clasifican atendiendo a dos criterios: la cantidad de fluido y el movimiento de la máquina. Se denominan volumétricas o de desplazamiento positivo a aquellas máquinas que son atravesadas por una cantidad de fluido conocida. Éstas a su vez se clasifican en alternativas o rotativas en función del movimiento obtenido. Aquellas máquinas que son atravesadas por un flujo continuo, se denominan turbomáquinas. Las turbomáquinas son siempre rotativas.

8. Comparación bomba rotativa vs. Bomba desplazamiento positivo. (Turbomáquinas) Introducción. Definición y clasificación de la Máquinas de Fluido • En la bomba rotativa: si aumenta la demanda de caudal tendremos una menor presión disponible en la misma. • En las bombas de desplazamiento positivo el caudal es constante, se puede variar la presión de trabajo de la misma.

9. Introducción. Definición y clasificación de la Máquinas de Fluido Turbomáquinas Una turbomáquina es una máquina cuyo elemento principal es un rodete (rotor) a través del cual pasa un fluido de forma continua, cambiando éste su cantidad de movimiento por acción de la máquina.siendo esto aprovechado como una entrega de energía del fluido a la máquina (turbomáquinas motoras) o de la máquina al fluido (turbomáquinas generadoras).

10. Introducción. Definición y clasificación de la Máquinas de Fluido 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 que ser constante sólo continuo (no se acumula ni se pierde fluido, éste sólo entra y sale del rotor de manera continua). Existe un cambio de la cantidad de movimiento del fluido, generando fuerzas que se aplican al rotor.

11. 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. Introducción. Definición y clasificación de la Máquinas de Fluido

12. Aprovechamiento de Energía • 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 produce trabajo) • 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). Introducción. Definición y clasificación de la Máquinas de Fluido

13. Tipo de Fluido de Trabajo • 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). Introducción. Definición y clasificación de la Máquinas de Fluido

14. Forma del Rodete o Proyección del Fluido Rodete Radial: Rodete Axial: Cuando el fluido se proyecta pasando perpendicular al eje. Introducción. Definición y clasificación de la Máquinas de Fluido Cuando el fluido se proyecta pasando paralelo al eje.

15. Forma del Rodete o Proyección del Fluido Rodete semiaxial, mixto o diagonal: Rodete transversal: El fluido se proyecta inicialmente radial y luego axial o viceversa al pasar a través del rodete. Introducción. Definición y clasificación de la Máquinas de Fluido El fluido es lanzado en forma de chorro sobre un numero limitados de alabes del receptor Como la turbina de flujo transversal o Michell –Banki, la Pelton

16. Cambio de presión en el rodete Turbomáquina de acción Turbomáquina de reacción. 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. Introducción. Definición y clasificación de la Máquinas de Fluido Donde la presión del fluido cambia entre la entrada y la salida del rodete. Un compresor, una turbina por ejemplo, estaría clasificado como una turbomáquina de reacción.

18. Turbinas hidráulicas TURBINA KAPLAN TURBINA FRANCIS Introducción. Definición y clasificación de la Máquinas de Fluido

19. Turbinas hidráulicas .TURBINA PELTON Introducción. Definición y clasificación de la Máquinas de Fluido

20. Introducción. Definición y clasificación de la Máquinas de Fluido

21. Introducción. Definición y clasificación de la Máquinas de Fluido

22. Introducción. Definición y clasificación de la Máquinas de Fluido

23. Introducción. Definición y clasificación de la Máquinas de Fluido

24. Introducción. Definición y clasificación de la Máquinas de Fluido

25. Introducción. Definición y clasificación de la Máquinas de Fluido

26. Turbina de gas Introducción. Definición y clasificación de la Máquinas de Fluido

27. Turbinas de gas Introducción. Definición y clasificación de la Máquinas de Fluido

28. Introducción. Definición y clasificación de la Máquinas de Fluido

29. Salida Introducción. Definición y clasificación de la Máquinas de Fluido Rotor Entrada

30. Introducción. Definición y clasificación de la Máquinas de Fluido Diferentes tipos de impulsores Semiabierto Abierto cerrado

31. Bomba de hélice Introducción. Definición y clasificación de la Máquinas de Fluido Diferentes Formas de impulsor

32. Comparación de Turbomaquinas con Máquinas desplazamiento positivo Introducción. Definición y clasificación de la Máquinas de Fluido

33. Diferentes configuraciones de turbocargadores Introducción. Definición y clasificación de la Máquinas de Fluido Radial (centrífugo) - Axial Radial (centrípeta) – Radial (centrífugo)

34. Turbomáquinas Continuación tema nº 1 Métodos para estudiar el comportamiento o actuación de una máquina de fluido Prof.: Redlich García Departamento de Energía La Universidad del Zulia

35. Análisis Dimensional. • El ANÁLISIS DIMENSIONAL permite agrupar las variables implicadas en un fenómeno en parámetros adimensionales, y expresar el problema en términos de la relación funcional de estos parámetros. • Ventajas: • • Se reduce el número de variables relevantes • • Se pueden planificar experimentos • • Permite predecir rendimientos • • Permite ELEGIR el TIPO de MÁQUINA apropiada a una • aplicación • • Facilita la construcción de series equivalentes • Análisis del Fluido Incompresible: se refiere a las máquinas hidráulicas. • Análisis del Fluido Compresible: se refiere a las máquinas Térmicas Métodos para estudiar el comportamiento o actuación de una máquina de fluido 1.- Análisis Dimensional. 2.- Considerando Diagramas de Fuerzas y Velocidades

36. Sc 1 Vc D Motor Elec W 2 Análisis del Fluido Incompresible(Turbomáquinas Hidráulicas) Sea la turbomáquina una bomba (se considera como un volumen de control) • Variables Independientes • N = nº de revoluciones • Q = Caudal • D = Diámetro del impulsor Métodos para estudiar el comportamiento o actuación de una máquina de fluido Válvula En la actuación de una turbomáquina Se toman en cuenta: - Variables de Control: Q, N - Variables Geométricas: D - Propiedades del fluido: ρ, μ

37. η H N N N Pot D D D Q Q Q También se consideran: Variables Dependientes: - La energía transferida : gH - La eficiencia : η - La potencia : Pot Métodos para estudiar el comportamiento o actuación de una máquina de fluido Se relacionan funcionalmente como: gH = f (Q,N,D,ρ, µ). η = f (Q,N,D,ρ, µ). Pot = f (Q,N,D,ρ, µ). Gráficamente

38. ψ ø P • Aplicando el Análisis Dimensional y Similitud Dinámica • Las tres ecuaciones anteriores se reducen a Parámetros Adimensionales : • Coeficiente de Transferencia de Energía (ψ): llamado también Coeficiente de Carga o altura: Métodos para estudiar el comportamiento o actuación de una máquina de fluido -Coeficiente de Potencia(P) ø

39. η ø Potencia Hidráulica o Potencia de la bomba: si no la dan es la misma del motor Pot = ρgHQ = ΔPQ - Coeficiente de flujo(ø) Métodos para estudiar el comportamiento o actuación de una máquina de fluido Ψ= f (ø); (P) = f (ø); η = f (ø) Estos Parámetros se toman en cuenta en una familia geométricamente semejante. En Turbomáquinas el flujo es completamente Turbulento entonces el Número de Reynolds (Re) es muy alto y su efecto de actuación en la máquina es pequeño y se ignora.

40. H N1 N2 ψ D1 D2 ø Q Características de funcionamiento En Turbomáquinas: Hay 3 tipos de semejanza: • Semejanza GEOMÉTRICA(dimensiones) • Semejanza CINEMÁTICA(velocidades) • Semejanza DINÁMICA(fuerzas) La existencia de similitud dinámica implica la existencia de similitud geométrica y similitud cinemática La condición de actuación de semejante. Serácuando se aplica a dos velocidades de giro diferentes (De dos curvas dimensionales a una curva adimensional) Métodos para estudiar el comportamiento o actuación de una máquina de fluido Para máquinas semejantes (cumplen las leyes de semejanza), se cumple la igualdad de parámetros adimensionales:

41. Para bombas: Para turbinas: De allí que: ø1 = ø2 ψ1 = ψ2 η1 = η2 P1 = P2 Estos Parámetros Adimensionales: Se utilizan para hallar el tamaño de la Turbomáquina (D), como también : Q, H, N, η Métodos para estudiar el comportamiento o actuación de una máquina de fluido Vienen: Problemas de actuación de Turbomáquinas y regla de semejanza

42. 1.- Una bomba centrifuga de 37 cm. De diámetro funcionando a 2140 rpm con agua a 20ºC proporciona las siguientes actuaciones: Turbomáquinas. Problemas: Actuación de Bombas. Análisis Dimensional • Determine el punto de máximo rendimiento (PMR). b) Represente el coeficiente de altura frente al coeficiente de caudal. c) Si se desea emplear esta familia de bombas para proporcionar 7000 gal/min de querosén a 20ºC con una potencia de entrada de 400 KW, ¿Cuál seria la velocidad de la bomba en revoluciones por minuto y el tamaño del rotor en centímetros? ¿Qué altura manométrica proporcionaría?

43. a) Determinación del PMR: Para bombas Columna “a”: Turbomáquinas. Problemas: Actuación de Bombas. Análisis Dimensional η = 44.35 % Columna “b”: η = 74.12 % Columna “c”: η = 86.05 % Columna “d”: η = 92.27 % Columna “e”: η = 91.43 % Columna “f”: Columna “g”: η = 79.18 % El PMR (columna “e”) es aproximadamente de 92.27% para un

44. b) Representen el coeficiente de altura frente al coeficiente de caudal. Ecuaciones a utilizar: Turbomáquinas. Problemas: Actuación de Bombas. Análisis Dimensional Columna “a”: Columna “b”:

45. Columna “c”: Turbomáquinas. Problemas: Actuación de Bombas. Análisis Dimensional Columna “d”: Columna “e”: Columna “f”:

46. Columna “g”: Turbomáquinas. Problemas: Actuación de Bombas. Análisis Dimensional Grafica ψ vs. Ø ψ Ø

47. Determinación de la parte c:Se utiliza el punto del máximo rendimiento (PMR) 1m³ = 264.17 gal N =? D =? H =? Turbomáquinas. Problemas: Actuación de Bombas. Análisis Dimensional

48. Sustituimos la ecuación 1 en la ecuación 2 y nos da lo siguiente: 4 Turbomáquinas. Problemas: Actuación de Bombas. Análisis Dimensional

49. 2. Si la bomba de 38 in de diámetro de la figura siguiente se usa para proporcionar queroseno a 20ºC a 850 rpm 22000 gal/min, ¿Qué altura manométrica y potencia al freno podría proporcionar? Turbomáquinas. Problemas: Actuación de Bombas. Análisis Dimensional Agua

50. (Prototipo) (Kerosén) Modelo: Agua (Grafica). (Prototipo) (Kerosén) Turbomáquinas. Problemas: Actuación de Bombas. Análisis Dimensional Datos