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• Keyla Rebeca

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TURBINAS Una turbina es una máquina a través de la cual transita un fluido de manera continua, y que la atraviesa en un movimiento rotativo de un eje. Es común la confusión entre una turbina y un turborreactor, tipo de motor empleado en jets comerciales; en este contexto en estricto rigor la turbina es solo un componente del turborreactor, que consta de otras etapas como las de compresión e ignición. Tampoco hay que confundir la turbina con los generadores, ya que en ocasiones se aprovecha el movimiento rotatorio del eje de la turbina para generar por ejemplo electricidad, como veremos más adelante. El fluido del que se habla puede ser líquido, como sucede en las turbinas hidráulicas que se encuentran en las centrales hidroeléctricas, así como también puede ser vapor de agua o ciertos gases generados de la combustión de algún combustible, tal como es el caso de las turbinas de vapor y de gas. Una turbina, como se mencionaba, es una turbo máquina, que consta de un eje de rotación que se mueve gracias a una o dos ruedas con paletas adosadas, las que se denominan rotor y estator. El rotor se mueve gracias al impulso que le da el fluido con su movimiento continuado, arrastrando el eje que permite el movimiento de rotación. Existen varios tipos de turbina, y entre los más importantes es necesario destacar a las turbinas hidráulicas. Este tipo de turbo máquinas se caracterizan por poseer un fluido que, a lo largo de su trabajo, no presenta variaciones considerables en cuanto a su densidad. Las más comunes son las turbinas de agua. Otro tipo de turbinas son las turbinas térmicas, que a diferencia de las hidráulicas poseen un fluido que si sufre cambios en su densidad a medida que pasa a través del rodete. A su vez, es posible encontrar turbinas térmicas de dos tipos: las turbinas a vapor y las turbinas a gas. Finalmente, nos encontramos frente a las turbinas eólicas. Ésta turbo máquina permite utilizar el viento como fluido de trabajo, el que a través de su paso por la turbina, podrá ser transformado en corriente eléctrica. Lo anterior se realiza tomando la energía cinética o del movimiento del viento en energía mecánica, que gracias a los generadores de la turbina, podrá cambiar a otro tipo de energía, como por ejemplo a la eléctrica.

Turbinas de gas:

Una turbina de gas es una turbo máquina destinada a la generación de energía eléctrica o trabajo en las plantas térmicas o en las de cogeneración, así como en los campos aeronáuticos y marítimos Tipos de turbinas de gas: Las instalaciones de turbinas de gas pueden ser abiertas o cerradas. En las de tipo abierto, los productos de la combustión fluyen a través de la turbina junto con la corriente de aire. Para diluir los productos de la combustión hasta una temperatura que pueda resistir el Rodete de la Turbina (649 - 982) ºC, es necesario un elevado porcentaje de aire. Este diseño ofrece las ventajas de requerir un control simple y poseer un sistema hermético. Puede diseñarse para altas relaciones peso/ potencia y para drenaje sin agua de enfriamiento. En las instalaciones de tipo cerrado, los productos de la combustión no pasan a través de las turbinas, sino por un intercambiador de calor. Los gases que atraviesan la turbina trabajan en circuito cerrado y sucesivamente se comprimen, calientan, expansionan, y enfrían. Las instalaciones cerradas permiten quemar cualquier tipo de combustible en el combustor. Sin embargo, se necesita un intercambiador de calor. Este tipo de instalaciones esta limitado a las turbinas estacionarias.

CONCLUSIONES

La aplicación de las turbinas es muy frecuente para obtener energía eléctrica ya sea por cualquier método posible. Un claro ejemplo es que las turbinas se pueden utilizar de muchas maneras como, por ejemplo, en una central térmica , una hidroeléctrica o una geotérmica ( ver páginas siguientes ).Las turbinas han evolucionado mucho desde que surgieron como unas simples ruedas, después empezaron a conectarse a otros aparatos para utilizarse con máquinas como las de un molino de papel (un claro ejemplo de molino de papel es el de Capelladas ) pero aquí no se detuvo su evolución y siguió evolucionando hasta las centrales (normalmente eléctricas ) de hoy en día. Un ejemplo de una delas centrales hidroeléctricas más modernas de España es la central reversible de Capdella en el Pallars Jussà. En esta central utilizan el agua del Estany Gentopara mover las turbinas y producir, mediante alternadores, energía eléctrica. Pero por la noche se hace el proceso contrario, debajo del lago han hecho un embalse donde almacenan el agua que, por la noche bombean otra vez hacia arriba con una pequeña parte de la energía producida. Mediante las turbinas hemos podido aprovechar diversas energías que no podrían haber sido aprovechadas de otra manera. Con éstas hemos podido sacar provecho de muchos tipos distintos de energías como la nuclear o la térmica.

CONCLUCIONES DE LA TERMODINAMICA EN EQUIPOS INDUSTRIALES: Este trabajo es realmente importante para mi desarrollo profesional y para la consulta de todos los estudiantes y personas interesadas en esta materia. De igual forma se puede decir que es fundamental para ampliar y profundizar mucho más en lo que son la turbo máquinas y su utilidad en nuestra sociedad BIBLIOGRAFIA:    

http://es.wikipedia.org/wiki/Toberahttp://www.termodinamica.com.pe/Boltzmann,Lu dwig (1986). Escritos de mecánica y termodinámica. AlianzaEditorial.ISBN 842060173X.Pérez Cruz, Justo R. (2005). La Termodinámica de Galileo a Gibbs. Fundación Canaria Orotava de Historia de la Ciencia.ISBN 978-84-609-7580-9.Planck , Max (1990). Treatise on Thermodynamics.Dover Publications.ISBN048666371X.

https://es.scribd.com/doc/28725908/Aplicacion-de-la-Primera-Ley-de-la-Termodinamica-aequipos-industriales

Turbina de Acción

Objeto:  

Ensayo de una turbo máquina axial, desde el punto de vista mecánico y térmico ENSAYO DE TURBINAS DE ACCION. CURVAS CARACTERISTICAS.

INTRODUCCION Las turbinas son máquinas que desarrollan par y potencia en el eje como resultado de la variación de la cantidad de movimiento del fluido que pasa a través de ellas. Dicho fluido puede ser un gas, vapor o líquido, si bien las notas que se dan a continuación son aplicables a turbinas que operan con gas o vapor. Para que el fluido alcance la alta velocidad requerida para que se produzcan variaciones útiles en el momento, debe haber una diferencia importante entre la presión a la entrada a la turbina y la de escape. Como fuentes de gas presurizado cabe mencionar un gas previamente comprimido y calentado, como sería el caso de una turbina de gas, o en la turbina de un turbo sobre alimentador de un motor de C.I. En la industria de generación de electricidad es muy frecuente el uso de vapor generado en calderas a alta presión que utilizan combustibles sólidos o nucleares para mover los alternadores accionados por turbinas de vapor. Existen numerosos tipos de turbinas, desde la más elemental utilizada en el buril de un dentista, hasta las grandes turbinas multi expansión empleadas en las centrales energéticas, que pueden llegar a desarrollar hasta 1000 MW. La turbina que vamos a ensayar se trata de una "turbina de acción simple mono expansiva y de flujo axial".

  

"Simple" por ser una turbina sin complicaciones tales como la doble expansión de acción. "Monoexpansiva" se refiere a que sólo tiene un escalonamiento. "De flujo axial" significa que el fluido entra y sale del rotor al mismo radio, y sin componentes radiales de importancia en su velocidad.

Finalmente "de acción" indica que la caída de presión del fluido y su consiguiente aumento de velocidad, tiene lugar en el estator, es decir, en las toberas. Por tanto, el fluido pasa a través del rotor a una presión casi constante, produciéndose solamente un cambio en su velocidad.

APLICACIÓN DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA El diagrama representa una turbina a través de la cual pasa una unidad de masa de fluido en condiciones de flujo estacionarias. La presión, entalpía específica y velocidad del fluido, varían a su paso por la máquina. al tiempo que fluye la unidad de masa fluida, tiene lugar una transferencia de trabajo y calor. Normalmente, la velocidad en la tubería de entrada y de salida es parecida, y baja en comparación de las velocidades dentro de la turbina, por lo que (q = h2 - h1 + w). En la práctica, las turbinas son máquinas compactas que trabajan a altas velocidades másicas, y aunque se produzca una transferencia de calor, la transferencia de calor por unidad de masa unitaria suele ser lo bastante pequeña como para poder despreciarse. Por consiguiente w = h1 - h2 

Expansión isentrópica

La expansión en una turbina ideal se produciría sin pérdida o ganancia de calor (es decir, adiabática) y sin ninguna disipación de la energía disponible debido a la fricción, el estrangulamiento, etc. (es decir, reversible). Un proceso reversible y adiabático es isentrópico (entropía constante). Si se representa dicha expansión en un diagrama de entalpía - entropía, se puede determinar la transferencia ideal de trabajo. 

Rendimiento isentrópico

Debido a las irreversibilidades de una auténtica turbina, la transferencia real de trabajo será menor que en una máquina ideal, y por lo tanto, la entalpía específica de salida será mayor que h2´. Los estados finales de una turbina real serán los siguientes, pudiéndose observar la disipación de energía disponible. 

Rendimiento global

Las pérdidas de energía en una turbina de acción son:  

Fricción del fluido en el estator (toberas). Fricción del fluido en los pasajes del rotor (álabes).

   

Pérdidas de fluido en las puntas de los álabes o en las juntas. Fricción entre el rotor y el fluido. Pérdidas por ventilación. Energía cinética rechazada en el rotor.

Debido a la variación de entalpía a través de la turbina, la temperatura de escape estará normalmente por debajo de la del ambiente, por lo que habrá la correspondiente transferencia de calor a la caja. Puesto que la turbina funciona a base de aire, resulta útil emplear un diagrama de temperatura - entropía y calcular la variación de entalpía. Material: DESCRIPCION Unidad de sobremesa que aloja una turbina de acción de flujo axial monoexpansiva que opera a base de aire. Lleva instalado un dinamómetro y todos los controles e instrumentos necesarios para evaluar el funcionamiento y rendimiento de la turbina. Turbina De acción monoexpansiva y flujo axial, velocidad hasta 50.000 r.p.m., potencia aproximada 50 W a 25.000 r.p.m. con aire a 60 kN/m2 . Rotor Latón con sujección de acero inoxidable. 45 álabes en un círculo de 45 mm de diámetro medio. Angulo de entrada y salida de los álabes 40º. altura del álabe 4.25 mm. Momento de inercia de las partes móviles: I=30 x 10-6 kg m2.

Toberas Cuatro de tipo convergente, cada una con válvula de aislamiento.2 mm de diámetro. Angulo de descarga 20º al plano de rotación. Cojinetes Rodamientos de bolas con lubricación por aceite. Dinamómetro Medidor de fuerza y correa que operan sobre la rueda de freno enfriada por aire. Radio efectivo (radio de la correa + la mitad del espesor de la correa) = 14.5 mm.

Filtro - regulador Filtra y estabiliza la presión del aire a la entrada.

Instrumentos 

Temperatura

Indicador digital, termopares tipo K para temperatura de entrada y salida.(-50 a 1200ºC) precisión 0.1 ºC. 

Gasto de aire

Flujómetro de cristal de área variable. Límites de 1 a 9 g / s. 

Velocidad

Sensor óptico e indicador de 5 dígitos. límites de 0 a 99999 r.p.m. 

Presión

Manómetro. Límites de 0 a 100 kN / m2.

Esquema instalación Turbina



Seguridad

Válvula de descarga de seguridad que impide la sobrepresión y consiguiente sobre velocidad de la turbina. grueso anillo de protección alrededor del rotor. PRECAUCIONES - Al igual que cualquier máquina de alta velocidad, la turbina debe tratarse y utilizarse con sumo cuidado. Si se producen ruidos o vibración inusual, debe cerrarse inmediatamente la válvula de admisión. - La velocidad continua máxima de la turbina es de 40.000 rpm, si bien puede funcionar a 50.000 rpm durante un breve periodo de tiempo. - Con la turbina parada, puede retirarse la caja de escape para examinar detenidamente la turbina. Siempre que la turbina esté en funcionamiento la caja de escape ha de estar cerrada. - Los cojinetes deben lubricarse regularmente.

NOTAS SOBRE EL FUNCIONAMIENTO 

Tacómetro

El tacómetro cuenta el número de revoluciones hechas por la turbina a intervalos de 0.8 segundos, por lo que éste se actualiza transcurrido este tiempo. Pequeños cambios de presión o de la temperatura del aire harán que varíen los dos, o posiblemente los tres últimos dígitos. Se recomienda ignorar los dos últimos dígitos sustituyéndolos por 00. 

Medición del gasto de aire

La velocidad másica del aire se obtiene leyendo la escala del tubo de cristal contra la cara superior de la boya. El valor de la escala es correcto para una densidad del aire de 1.2kg/m3. Para otras densidades, el valor observado deberá multiplicarse por el factor de corrección de rotámetro (k) obtenido del gráfico pegado al panel. 

Medición de la temperatura

El conmutador que se encuentra bajo el indicador de temperatura permite seleccionar la temperatura del aire en el tubo de entrada o de salida. En las pruebas en que la temperatura sea importante, debe darse tiempo a que ésta se estabilice.

PREPARACION A) Asegurarse de que la correa de freno esté bien montada sobre las dos poleas y el medidor de fuerza. aflojar el tornillo tensor para que la correa quede suelta. B) Asegurarse de que la caja de escape esté en su posición y los clips cerrados. C) Lubricar los cojinetes con 4 gotas de aceite.

D) Verificar que todas las válvulas de aislamiento de las toberas estén abiertas. E) Conectar el suministro eléctrico. F) Abrir el suministro de aire comprimido y, lentamente, ir abriendo la válvula de admisión hasta que la presión de entrada esté entre 30 y 40 kN / m2. En este momento la turbina deberá funcionar entre 20.000 y 30.000 rpm. G) Ajustar el tornillo de la carga de freno para "sentir" el control de carga y luego ajustar la velocidad a aproximadamente 15.000 rpm. H) Abrir lentamente la válvula de admisión y comprobar que la presión de entrada esté entre 60 y 65 kN / m2.

La unidad se encuentra ahora lista para su utilización. 1 APLICACION DE LA ECUACION DE LA ENERGIA Procedimiento 1) Preparar la turbina para su funcionamiento según se ha descrito anteriormente. 2) Abrir todas las válvulas de aislamiento de las toberas, y ajustar la válvula de admisión para obtener una presión de entrada de 60 kN / m2. 3) Ajustar la carga de freno de manera que la turbina funcione a aproximadamente el 50 % de la velocidad sin carga. 4) Mantener estables la presión de entrada y la velocidad hasta que la temperatura del aire de entrada y de salida sea bastante estable. 5) Observar y anotar las indicaciones de todos los instrumentos. Cálculos  

Variación de entalpía específica: ( h2 - h1 ) = cp ( t2 - t1 ) cp para el aire = 1.004 kJ kg-1 K-1 Aplicar la Ecuación de la Energía.

Trabajo de gabinete Especificar mediante un esquema del volumen de control, la magnitud y sentido de los flujos energéticos. Explicar el sentido de la transferencia de calor en la turbina.

2. DETERMINACION DEL RENDIMIENTO DE UNA TURBINA Procedimiento

1) Preparar la turbina para su funcionamiento según se ha descrito anteriormente. 2) Abrir todas las válvulas de aislamiento de las toberas, y ajustar la válvula de admisión para obtener una presión de entrada de 60 kN / m2. 3) Ajustar la carga de freno de manera que la turbina funcione a aproximadamente el 50 % de la velocidad sin carga. 4) Mantener estables la presión de entrada y la velocidad hasta que la temperatura del aire de entrada y de salida sea bastante estable. 5) Observar y anotar las indicaciones de todos los instrumentos.Anotar presión atmosférica. Cálculos  

Relación de presiones de la turbina ; p2 Presión atmosférica Rendimiento efectivo e / ( h1 - h2´ )

Trabajo de gabinete Representar el proceso de expansión en un diagrama T - s. ¿Por qué la potencia efectiva no es igual a cp (T1 - T2 ) ?

3. TRAZADO DE LAS CURVAS PAR - VELOCIDAD Y POTENCIA - VELOCIDAD Procedimiento 1) Preparar la turbina para su funcionamiento según se ha descrito anteriormente con todas las válvulas de aislamiento de toberas abiertas. 2) Ajustar la válvula de admisión al valor deseado de la presión (p.e. 60 kN / m2) . Esta presión debe mantenerse durante toda la prueba. 3) Aflojar el tornillo de ajuste del freno hasta que la turbina funcione cerca de su velocidad máxima, SIN exceder las 50.000 rpm. 4) Cuando las condiciones se estabilicen, anotar la velocidad, la fuerza, y el gasto de aire. 5) Girar el tornillo de ajuste del freno hasta que la turbina gire a una velocidad menor, teniendo en cuenta que habrá qe obtener al menos seis puntos de funcionamiento entre la velocidad máxima y la velocidad nula. Cuando se estabilice, repetir las observaciones. 6) Repetir a disminuciones similares de velocidad hasta que la turbina se detenga finalmente. 7) Ahora se puede repetir el experimento a otras presiones constantes de entrada. ( p.e. 40 y 20 kN / m2 ).

Cálculos

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Par M = Fuerza x Radio Potencia al eje e = Par x Velocidad angular

Trabajo de gabinete ¿Cuándo obtenemos rendimientos máximos? ¿Por qué? Representar en un mismo gráfico los resultados obtenidos. Comentar estos resultados.

4 DETERMINACION DE LA FRICCION FLUIDA Y MECANICA Procedimiento 1) Preparar la turbina para su funcionamiento según se ha descrito anteriormente. 2) Aflojar y retirar la correa de freno de la rueda de freno. 3) Hacer funcionar la turbina a aproximadamente 50.000 rpm y luego cortar el suministro de aire comprimido. 4) A medida que vaya bajando la velocidad de la turbina, anotar una de cada dos indicaciones del tacómetro. (El tacómetro actualiza su medida cada 0.8 segundos, por lo que las anotaciones se hacen cada 1.6 segundos). 5) Asegurarse de haber tomado todos los puntos de la forma correcta.

P (kPa) gasto(g/s)

3.2

nº Toberas

3

V1,

V2

V3

V4

V5

V6

V7

V8

V9

V10

V11

50

10

25

40

50

70

90

90

90

90

90

1.95

3.8

4.0

4.5

4.9

5.6

4.2

3

1.6

4

3

3

4

4

4

3

2

1

Cálculos   

Deceleración angular Par de fricción Mf = I·a Potencia de fricción Wf = Mf·w

Trabajo de gabinete Dibujar la gráfica velocidad de rotación - tiempo. Trazar diversas pendientes a esta curva para obtener el valor de la deceleración angular en distintos puntos. Dibujar la curva deceleración angular - velocidad angular. Se pued implementar con una hoja de cálculo

Trazar las curvas Par de fricción - velocidad angular y potencia de fricción - velocidad angular. ¿Qué causas provocan el efecto de fricción? ¿Cómo varían con la velocidad? Deducir el par y la potencia desarrollados en las paletas. 5.- COMPARACION DEL CONSUMO ESPECIFICO DE AIRE CUANDO SE CONTROLA LA POTENCIA GENERADA POR ESTRANGULACION O POR TOBERAS. LINEA DE WILLANS.

1) Preparar la turbina para su funcionamiento según se ha descrito anteriormente. 2) Abrir todas las válvulas de aislamiento de las toberas. 3) Definir una velocidad rotacional constante , p.e. 20.000 rpm. 4) Poner en marcha la turbina y ajustar la válvula de admisión y el freno de manera que la turbina funcione a la velocidad deseada con una presión de entrada alta , p.e. 60 kN /m2. 5) Anotar la velocidad, presión de entrada, fuerza, y gasto. 6) Ajustar la válvula de admisión y el freno de manera que la turbina siga funcionando a la misma velocidad pero a una presión de entrada más baja ( p.e. 50 kN / m2 ). Repetir las observaciones. 7) Repetir la operación a presiones cada vez más bajas hasta que no se pueda obtener la velocidad deseada. 8) Cerrar una de las válvulas de aislamiento de tobera, dejando las otras tres en funcionamiento. 9) Repetir los pasos 5) a 7). 10) Repetir con dos toberas en operación y finalmente con una sola.

Nota: Con una sola tobera el gasto de aire es reducido, por lo que se obtendrá un valor más preciso de dicha velocidad calculando un 25 % del flujo de aire a través de las cuatro toberas a la misma presión de entrada. Cálculos  

Potencia al eje Consumo específico de aire c.e.a.

Trabajo de gabinete

Representar gráficamente el consumo específico de aire frente a la potencia, tomando como parámetro el número de toberas abiertas. Expresar el c.e.a. en g/kJ. Dibujar la línea de Willans de la turbina para una velocidad dada. 6.- OBTENCIÓN DE LAS CURVAS CARACTERÍSTICAS DE LA TURBINA DE GAS. Para el caso de una turbina, el flujo entra a través de un conjunto de toberas. Cuando el flujo en la garganta de una tobera alcanza la velocidad del sonido se dice que es un flujo estrangulado. El flujo estrangulado se produce cuando la relación P2 / P1 alcanza un valor crítico y entonces el gasto ya no puede aumentar. Por debajo de este valor crítico, la relación , tiene un pequeño efecto en el valor de la relación BIBLIOGRAFIA:  

http://www.sc.ehu.es/nmwmigaj/TURBINA.htm © 2001-2015 Dpto. Máquinas y Motores Térmicos -Escuela Universitaria Politécnica de Donostia-San Sebastián.UNIVERSIDAD DEL PAÍS VASCO - EUSKAL HERRIKO.UNIBERTSITATEA UPV/EHU. Pza. Europa 1 - 20018 San Sebastián - Spain tel. + 34 943 017195 - Fax. 943 017130 © José A. Millán Editor