Turbomáquinas Hidráulicas: Clasificación, Principios y Triángulo de Velocidades, Apuntes de Máquinas Eléctricas

¡Descarga Turbomáquinas Hidráulicas: Clasificación, Principios y Triángulo de Velocidades y más Apuntes en PDF de Máquinas Eléctricas solo en Docsity! • CURSO: TURBOMAQUINAS • PROFESOR: ING. SOLIS TIPIAN MARTÍN ALBINO • TEMA: “TURBOMAQUINAS Y SU FUNCIONAMIENTO” • INTEGRANTES: CACERES YUJRA VICTOR 1813120276 CALLAN RAMOS ALEX OMAR 1823110107 ESPINOZA CHAVEZ MOISES 1823120729 ROJAS APOLINARIO JHONATAN 1823110259 VILLANUEVA FERNANDEZ LEANDRO 1823120496 INDICE I. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ 3 II. CLASIFICACION DE LAS TURBOMAQUINAS ................................................... 4 III. TURBOMAQUINAS HIDRAULICAS ....................................................................... 8 IV. TURBOMAQUINAS TERMICAS............................................................................ 10 V. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LAS TURBOMAQUINAS ............... 11 • Según El Sentido De Intercambio De Energía a. TURBOMÁQUINAS MOTORAS: En ellas el fluido cede energía a la máquina disminuyendo la energía del fluido en su paso por la máquina. Producen potencia expandiendo el fluido hasta una presión más baja. Ejemplo: Turbinas de Vapor, Turbinas de Gas y Turbinas Hidráulicas. La Turbina de vapor. El vapor incide sobre el rodete o rodetes de la turbina a través de una o más toberas, o por una corona fija de álabes. El vapor cede su energía cinética obteniéndose energía útil en el eje de la turbina. La expansión del fluido ocurre tanto en los álabes fijos como en los álabes móviles del rodete b. TURBOMÁQUINAS GENERADORAS: En ellas la máquina comunica energía al fluido. La energía aumenta en su paso por la máquina. Absorben potencia para incrementar la presión del fluido. Ejemplo: Bombas, Compresores, Ventiladores. • La bomba absorbe energía mecánica y restituye al líquido que la atraviesa energía hidráulica. El rodete comunica energía al fluido en forma de energía cinética que luego se transforma en energía de presión a través del difusor. Las bombas pueden ser centrífugas y axiales. • Un ventilador esencialmente es una bomba de gas en vez de líquido. Por tanto, un ventilador es una turbomáquina de fluido generadora para gases. En un ventilador, el gas no varía sensiblemente de densidad y por tanto de volumen específico, por lo que se puede considerar incompresible. Esto se debe a que el incremento de presiones es pequeño. La experiencia confirma que si mm de agua, el gas prácticamente puede suponerse incompresible. En el caso contrario se empiezan a sentir los efectos de la compresibilidad del gas. Los ventiladores se clasifican en centrífugos y axiales. • Las Compresores Son turbomáquinas térmicas generadoras. La máquina comunica energía 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. • Según La Dirección Del Flujo a. TURBOMÁQUINAS DE FLUJO AXIAL: Cuando la trayectoria del flujo que atraviesa la máquina es paralela al eje de rotación. b. TURBOMÁQUINAS DE FLUJO RADIAL: Cuando la trayectoria del flujo está en un plano perpendicular al eje de rotación. Ejemplo: la bomba centrífuga, el ventilador o soplador centrífugo, rl compresor centrífugo. c. TURBOMÁQUINAS DE FLUJO MIXTO: Cuando en la dirección del flujo en la salida del rotor intervienen las componentes axial y radial de la velocidad. d. TURBOMÁQUINAS GENERADORAS: En ellas la máquina comunica energía al fluido. La energía aumenta en su paso por la máquina. Absorben potencia para incrementar la presión del fluido. Ejemplo: Bombas, Compresores, Ventiladores. IV. TURBOMAQUINAS TERMICAS Las Turbomáquinas Térmicas, turbinas y compresores, son equipos indispensables en múltiples aplicaciones. En primer lugar, formando parte de motores térmicos o plantas de potencia en general, que transforman la energía primaria asociada a un combustible fósil, nuclear, biomasa, energía geotérmica o la asociada a la energía solar, en energía mecánica. Este es el caso de las plantas basadas en un ciclo de Rankine, en donde la turbina de vapor, de tipo axial, es un elemento fundamental, o bien el caso de las turbinas de gas industriales o de aviación, en las que se requiere de una turbina como máquina motora y de un compresor como máquina generadora. En esta aplicación es más habitual el empleo de máquinas axiales, aunque en pequeñas potencias se pueden emplear máquinas radiales. También cabe mencionar el caso de la turbo sobrealimentación de motores de combustión interna alternativos, en los que el grupo de sobrealimentación consta de una turbina centrípeta accionada por un compresor centrífugo. Por último, al margen de su aplicación en ciclos de potencia, los turbocompresores se utilizan en variadas aplicaciones que requieren incrementar la presión de un determinado gas, por ejemplo, para su transporte, como es el caso de las instalaciones de bombeo de gas natural. CLASIFICACIÓN DE LAS TURBOMAQUINAS TERMICAS • Turbomáquinas motrices: restan energía al fluido. Turbinas de vapor y de gas. • Turbomáquinas generatrices: añaden energía al fluido. Un ejemplo seria las Compresoras centrífugos y axiales. V. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LAS TURBOMAQUINAS A. Triángulo de velocidades en turbomáquinas: En una turbomáquina, un fluido en movimiento atraviesa un rodete que también se mueve. Eso implica que, en cualquier punto de contacto entre el fluido y el rodete, se puede hablar de tres vectores de velocidad: - La velocidad absoluta del fluido (de módulo 𝑐) - La velocidad relativa del fluido con respecto al rodete (de módulo 𝑤) - La velocidad del rodete (de módulo 𝑢) lineal (en dirección tangencial). Dado que el rodete gira con velocidad angular 𝜔, el módulo de la velocidad del rodete está relacionado con ésta y la posición radial del punto considera. Longitud u r Tiempo    =      … (3.1) Los tres vectores, 𝑐, 𝑤 y 𝑢, no son independientes entre sí, sino que están relacionados en los llamados triángulos de velocidades, de modo que se cumple siempre que: c w u= + … (3.2) Fig. 3.1 Triángulo de velocidad en turbomáquinas Aplicado al rodete de una turbomáquina, sólo hay dos puntos importantes a considerar: el punto de entrada del fluido al rodete (1) y el punto de salida del fluido del rodete (2). Para el punto de entrada, de este modo, la ecuación (3.2) queda: 1 1 1c w u= + … (3.3) Mientras que, para el punto de salida, la ecuación queda: 2 2 2c w u= + … (3.4) Fig. 3.2 Rodete de una turbomáquina motora: (1) sección de entrada del fluido, (2) sección de salida del fluido. A.1 Triángulo de Velocidades de Entrada En el rodete de la Figura 3.2, la dirección de la velocidad absoluta de entrada del fluido, 𝑐1, vendría normalmente dada por la presencia de un distribuidor. Un distribuidor no es más que un conjunto de álabes fijos (en el sentido de que no giran, como los del rodete, aunque pueden ser orientables). En la Figura 3.3 se muestra el rodete de la Figura 3.2 junto con un posible distribuidor (en color gris más claro, con los álabes en azul) que orienta la velocidad 𝑐1, también dibujada. Entre el distribuidor y el rodete se puede observar una cierta holgura. Sobre este rodete, la velocidad tangencial a la entrada vendría dada por la ecuación (3.1), donde la posición radial corresponde a la distancia de la sección de entrada al eje del rodete. 1 1u r=  … (3.5) Fig. 3.3 Rodete y distribuidor de una turbomáquina motora. Se muestra también el vector de velocidad absoluta de entrada del fluido al rodete (𝑐1) 2.1 Principios básicos de la termodinámica y mecánica de fluidos Principios de la termodinámica: - 1° Principio: En cualquier proceso, la energía total se conserva. Este principio se refiere a la “ley de conservación de la energía”. “La energía no puede ser creada o destruida, solo modificada” E Q W = + - 2° Principio: “En todo proceso reversible, la entropía del universo permanece constante” Y “En todo proceso irreversible la entropía del universo aumenta” - 3° Principio: “En cualquier proceso isotérmico que implique sustancias en equilibrio interno, la variación de la entropía tiende a cero cuando la temperatura tiende a cero absoluto” Principio de la mecánica de fluidos: - Principio de Pascal: “La presión ejercida en un recipiente cerrado por un fluido incomprensible como el agua o el aceite, se trasmite por igual en tolas las direcciones en todo el fluido, es decir la presión en todo el fluido es constante” - Ecuación de Continuidad: La velocidad con que se mueve un fluido por un tubo de sección transversal variable es inversamente proporcional al área de sección transversal del tubo. 1 1 2 2A v A v =  - Principio de Bernoulli: El principio de Bernoulli, también denominado Ecuación de Bernoulli o Trinomio de Bernoulli, describe el comportamiento de un fluido moviéndose a lo largo de una línea de corriente. Expresa que en un fluido ideal (sin viscosidad ni rozamiento) en régimen de circulación por un conducto cerrado, la energía que posee el fluido permanece constante a lo largo de su recorrido. La energía de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes: Energía de flujo: es la energía que un fluido contiene debido a la presión que posee Cinética: es la energía debida a la velocidad que posea el fluido. Potencial gravitacional: es la energía debido a la altitud que un fluido posea. Otra forma de expresarlo sería: