• Author / Uploaded
• Juan Borregales

Citation preview

REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA DE LA FUERZA ARMADA NACIONAL BOLIVARIANA AGUASAY- MONAGAS

TURBINAS Y ALABES

Profesor(a):

Bachilleres:

ING. ROSMARCIA ALVAREZ

JUAN BORREGALES C.I:19.446.799 CARMEN HERNÁNDEZ C.I:22.706.784 ING. Mecánica VIII Sección “U”

Aguasay, Julio del 2015. INDICE

GENERAL

INTRODUCCION……………………………………………………………

Pp 3

TURBINAS………………………………………………………………….. CLASIFICACION DE LAS TURBOMAQUINAS ………………...……… PARTES DE UNA TURBOMAQUINA…………………………………… RENDIMIENTO DE LAS TURBOMÁQUINAS………………………….. ALABES DE TURBINAS………………………………………………….. ALABES DEL ROTOR Y ÁLABES DEL ESTATOR…………………... DISEÑO DE COMPRESORES AXIALES……………………………….. FLUJO EN LOS ÁLABES DE UNA TURBINA…………………………. CONCLUSION……………………………………………………………… ANEXOS……………………………………………………………………

4 5 6 8 11 11 13 14 17 18

… BIBLIOGRAFIA……………………………………………………………

23

….

INTRODUCCION A lo largo de la historia de la humanidad, el hombre ha modificado y manipulado su entorno para realizar un trabajo en el menor tiempo y esfuerzo posible. Con esta finalidad se han construido máquinas con

2

diferentes niveles de complejidad. Por lo tanto, una máquina es un dispositivo que convierte la energía para realizar un determinado trabajo. Para realizar este trabajo, las máquinas pueden utilizar cualquier tipo de energía disponible, por ejemplo la energía térmica del sol, la energía eólica del viento, la energía hidráulica de corrientes naturales de agua, energía mecánica, energía eléctrica, etc. En nuestro caso, nos enfocaremos solo al estudio de las máquinas que funcionan con una corriente fluida, es decir con líquidos y gases. Para su funcionamiento este tipo de máquinas efectúan una transformación de parte de la energía contenida en un fluido en energía mecánica, y viceversa. Es decir, que parte de la energía potencial que contiene un fluido, con respecto a un determinado nivel de referencia, es convertida en energía mecánica, disponible generalmente como un momento o potencia motriz.

TURBINAS (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, dándose así una 3

transferencia de energía entre la máquina y el fluido, la cual puede ser en sentido máquina-fluido o fluido-máquina. Las turbomáquinas se diferencian de otras máquinas térmicas en el hecho de que funcionan de manera continua y no discreta, como es el caso de los compresores de émbolo, las bombas de vapor a pistón o los populares motores de pistón, las cuales son máquinas de desplazamiento volumétrico o positivo. A semejanza de otras máquinas térmicas, son transformadoras de energía, lo cual es una característica fundamental, entregándole energía mecánica al fluido de trabajo convirtiéndola en presión (energía potencial), energía térmica o energía cinética del fluido, pudiendo ser este intercambio en sentido contrario. Bajo muchas formas las turbomáquinas están presentes en nuestra vida cotidiana, desde los sencillos ventiladores y las bombas centrífugas que son de uso común, hasta las grandes turbinas hidráulicas de las centrales hidroeléctricas y las turbinas de vapor o a gas de las centrales térmicas son turbomáquinas. Es importante destacar que las turbomáquinas son fundamentales en la conversión electromecánica de energía, es decir, la generación eléctrica. Es este hecho el cual convierte a las turbomáquinas en un objeto de gran importancia dentro de la ingeniería mecánica, la cual dedica mucho a su estudio y proyección, e igualmente, pero en menor medida, la ingeniería civil. Las turbomáquinas como todo elemento mecánico se clasifican dependiendo a una serie de criterios ya establecidos, a continuación se presentarán las clasificaciones más comunes de las turbinas o turbomaquinas. CLASIFICACION DE LAS TURBOMAQUINAS Las turbomáquinas pueden clasificarse de acuerdo a varios criterios como funcionamiento, composición o sentido de flujo de la energía.

4

De acuerdo con el sentido del flujo de energía • Generadoras: la energía es entregada por el fluido a la máquina, y esta entrega trabajo mecánico. La mayoría de las turbomáquinas motoras son llamadas "turbinas", pero dentro de este género también entran los molinos de viento. Posteriormente la energía mecánica puede ser transformada en otro tipo de energía, como la energía eléctrica en el caso de las turbinas eléctricas. • Motoras: la energía es entregada por la máquina al fluido, y el trabajo se obtiene de este. En este género entran las bombas, sopladores, turbocompresores, ventiladores, y otros. De acuerdo con la forma que presenta el fluido proyectado a través del rotor • Radial: Si la trayectoria que sigue el fluido es principalmente normal al eje de rotación (centrífugas o centrípetas según la dirección de movimiento). • Axial: Cuando la trayectoria del fluido es fundamentalmente paralelo al eje de rotación. • Diagonal: Flujo diagonal al eje de rotación. De acuerdo con el tipo de fluido que manejan • Térmicas: Cuando el cambio en la densidad del fluido es significativo dentro de la máquina, como en compresores. . • Hidráulicas: Cuando el cambio en la densidad del fluido no es significativo dentro de la máquina, como en bombas o ventiladores. De acuerdo con el cambio de presión en el rotor • Acción: no existe un cambio de presión en el paso del fluido por el rotor.

5

• Reacción: existe un cambio de presión en el paso del fluido por el rotor. De acuerdo con el tipo de admisión • Total: todo el rotor es tocado por el fluido de trabajo. • Parcial: no todo el rotor es tocado por el fluido de trabajo.

PARTES DE UNA TURBOMAQUINA Una turbomáquina consta de diversas partes y accesorios dependiendo de su tipo, aplicación y diseño. Por ejemplo un ventilador puede ser una turbomáquina que sólo conste de un árbol, motor, rotor y soporte, mientras que un compresor centrífugo o una bomba semi-axial puede tener muchas partes que incluso no comparta con las demás turbomáquinas existentes. Sin embargo, la mayoría de las turbomáquinas comparten el hecho de tener partes estáticas y rotativas; y dentro de estos conjuntos puede haber diversos elementos los cuales muchas turbomáquinas comparten y una enumeración competente puede ser la siguiente: Partes rotativas 

Rodete: El Rodete es el corazón de toda turbomáquina y el lugar donde aviene el intercambio energético con el fluido. Se suelen emplear los índices 1 y 2 para establecer la entrada y salida del rodete. Está constituido por un disco que funciona como soporte a palas, también llamadas álabes, o cucharas en el caso de las turbinas Pelton. La geometría con la cual se realizan los álabes es fundamental para permitir el intercambio energético con el fluido; sobre éstas reposa parte importante del rendimiento global de toda la turbomáquina y el tipo de cambio energético generado (si la energía será transferida por cambio de presión o velocidad). Los tipos de rotores

6

pueden ser axiales, radiales, mixtos o tangenciales, para su fácil identificación y distinción se hace uso de representaciones por proyección 

específicas. Eje o árbol: Tiene la doble función de trasmitir potencia (desde o hacia el rotor) y ser el soporte sobre el que yace el rotor. En el caso de las turbomáquinas motoras éste siempre está conectado a alguna clase de motor, como puede ser un motor eléctrico, o incluso una turbina como es común en los turborreactores, muchas veces entre el árbol y el motor que mueve a la turbomáquina se encuentra algún sistema de transmisión mecánica, como puede ser un embrague o una caja reductora. En el caso de las turbomáquinas generadoras, es frecuente encontrar un generador eléctrico al otro extremo del árbol, o incluso hay árboles largos que soportan al rotor en el medio y en un extremo se encuentra una turbomáquina generadora y al otro un generador.

Partes estáticas Al conjunto de todas las partes estáticas de la turbomáquina (y en otras máquinas también) se le suele denominar estator. 

Entradas y Salidas: Estas partes son comunes en todas las turbomáquinas, pero pueden variar de forma y geometría entre todas. Existen turbomáquinas generadoras de doble admisión, es decir, que tienen dos entradas diferenciadas y una salida única de fluido. Estas partes pueden constar de una brida en el caso de la mayoría de las bombas y compresores, pero en las turbinas hidráulicas grandes, sólo son grandes tuberías y la salida muchas veces tiene forma de difusor. En los molinos de viento, por ejemplo, la entrada y la salida sólo pueden ser superficies imaginarias antes y después del rotor. El distribuidor, es el órgano cuya misión es conducir el fluido desde la sección de entrada hacia el rodete. Se suelen utilizar los índices 0 y 1 para desisgnar las magnitudes a la entrada del distribuidor y a

7

la salida (entrada en el rodete). Por otro lado, el difusor es un elemento que se encuentra a la salida del rodete y que disminuye la velocidad del fluido, 

además de acondicionar hidraúlicamente el fluido para su conducción. Álabes directores: También llamados palas directoras, son álabes fijos al estator, por los cuales pasa el fluido de trabajo antes o después de pasar al rotor a realizar el intercambio energético. Muchas turbomáquinas carecen de ellos, pero en aquellas donde si figuran éstos son de vital importancia. En las turbomáquinas motoras se encargan de dirigir el fluido en un cierto ángulo, así como acelerarlo para optimizar el funcionamiento de la máquina. En las turbomáquinas generadoras se encuentran a la salida del rotor. Los álabes directores también pueden llegar a funcionar como reguladores de flujo, abriéndose o cerrándose a manera de válvula para regular el caudal que



entra a la máquina. Cojinetes, rodamientos o rolineras: Son elementos de máquina que permiten el movimiento del eje mientras lo mantienen solidario a la máquina, pueden



variar de tipos y tamaños entre todas las turbomáquinas. Sellos: Son dispositivos que impiden la salida del fluido de la turbomáquina. Cumplen una función crítica principalmente en los acoplamientos móviles como en los rodamientos. Pueden variar de tipos y ubicación dentro una turbomáquina a otra. RENDIMIENTO DE LAS TURBOMÁQUINAS En las turbomáquinas el concepto de rendimiento es de suma importancia. El rendimiento o eficiencia, puede verse como la razón existente entre los beneficios que pueden obtenerse idealmente de una máquina y aquellos que son obtenidos en la realidad. En otras palabras el rendimiento total de una turbomáquina se define como la razón entre la potencia restituida y la potencia absorbida: ŋ=

potencia restituida potencia absorbida

8

En las turbomáquinas motoras la potencia absorbida es toda aquella entregada por el fluido de trabajo en su paso por la máquina, y la potencia restituida es aquella que se encuentra en el eje del rotor. Al contrario ocurre en las turbomáquinas generadoras, ya que la potencia absorbida se encuentra en el eje del rotor, y la energía restituida es aquella que es entregada efectivamente al fluido de trabajo. El discurso sobre el rendimiento utiliza ampliamente los conceptos de la termodinámica. La primera ley de la termodinámica nos indica que la potencia restituida jamás podrá ser mayor a la potencia absorbida, ya que esto implicaría la creación espontánea de energía. La segunda ley de la termodinámica nos dice que la potencia absorbida siempre será mayor que la potencia restituida, ya que la energía se suministra al fluido en un número finito de etapas (es un proceso irreversible). De esta forma podemos afirmar que: ŋtotal 5

COMPORTAMIENTO DEL FLUJO EN LOS ÁLABES DE UNA TURBINA El flujo en las turbomáquinas es el flujo más complejo en el estudio de la dinámica de fluidos, dicha complejidad está principalmente en las siguientes áreas, primeramente en la viscosidad y la geometría compleja, la 13

cual es denominada por flujos vórtices que causan varias formas de flujo secundario, en segundo lugar, la inestabilidad inherente al movimiento relativo entre el rotor y el estator, como tercer área tenemos el patrón de flujo de las regiones cercanas de la pared del estator la cual incluyen flujos laminares, transicionales y turbulentos, también tenemos que los flujos pueden ser comprensibles, subsónico, transónico o supersónico, algunos flujos en turbomáquinas pueden incluir todos estos regímenes, por ultimo tenemos las limitaciones de espacio de flujo, donde hay fuertes interacciones de las superficies con la paredes sólidas. El flujo en los alabes de una turbina es altamente inestable por las distorsiones de flujo periódicamente encontrados, generado por los alabes que se encuentran aguas arriba y aguas abajo, esta inestabilidad tiene importantes consecuencias para la eficiencia de la turbina, la carga de los alabes, problemas de transferencia de calor, fatiga mecánica debido al aleteo en los alabes, fatiga térmica y generación de ruido. Los principales factores generadores de estos flujos inestables pueden ser clasificados basados en los mecanismos físicos involucrados y pueden ser los siguientes: Interacción potencial, el campo potencial asociado con un alabe puede propagarse corrientes arriba y corrientes abajo, la magnitud de este efecto depende del número Mach y la distancia axial de los alabes, en flujos con número de Mach altos, la interacción potencial tiende a ser más fuerte que en números de Mach inferiores. A diferencia de la influencia potencial, en los alabes se realiza un proceso de convección hacia el flujo aguas debajo de los alabes este fenómeno se conoce como “estela” y puede ser caracterizado por un déficit de velocidad, tomando en cuenta que la presión estática no varía significativamente. Interacciones de onda de choque, que se realizan cuando la turbina opera transónico, ocurren las ondas de choques, en adición a las pérdidas producidas por el movimiento periódico del choque mismo, dichas ondas de choques pueden causar intensos efectos de inestabilidad. Otro factor

14

generador de los flujos inestables, es la generación de vórtices en sentido de la corriente de flujo, en este sentido, en los alabes de bajo relación de aspecto, se realiza una fuga de flujo en la tolerancia respectiva del alabe y el estator y también están los puntos calientes, este fenómeno describe que en la salida del combustor hay líneas o puntos calientes con temperaturas no uniformes en varias direcciones, se realiza una convección en el flujo aguas abajo del alabe y tendrá efectos significativo en la aerodinámica y la trasferencia de calor para los alabes aguas abajo. Otro de los aspectos que hay que resaltar en el comportamiento del flujo en los alabes de una turbina, es, sin duda la perdida de presión, para determinar las magnitudes de perdida de presión en los alabes de una turbina se debe tomar en cuenta la influencia que tiene las variables tales como son: la forma del alabe, el espaciado, el número de Mach y el número de Reynolds del flujo que se maneja, las pérdidas de presión general de presión pudiera ser convenientemente subdivididos por componentes de perdidas, siendo influenciada por alguna variable que se definen por la forma de la aerodinámica del flujo y otras variables que se definen por la forma geométrica del álabe, las perdidas más frecuentes que consideradas son: La primera perdida más frecuentemente vista en las turbomaquinarias se denomina perdida de perfil, esta pérdida es debido a la fricción de superficie, el cual toma lugar con un flujo uniforme bidimensional que choca en contra de las paredes de la superficie de los alabes, también existe una pérdida de presión secundaria, la cual resulta de la uniformidad de un flujo tridimensional a través de los álabes, en particular estas pérdidas son debido a las interacciones entre el límite del álabe y la capa límite de las paredes, por ultimo están las pérdidas de presión por la tolerancia entre el alabe y el estator, o perdida debido a la filtración de flujo alrededor del alabe y las paredes del estator. En las turbomaquinarias, cualquier característica de flujo que reduzca la eficiencia, será llamada “perdida”, hay muchas definiciones de coeficiente de

15

pérdidas en uso regular para álabes individuales, el coeficiente de perdida más útil para propósitos de diseño es el coeficiente de perdida de entalpia, en este sentido se puede decir que para los álabes el coeficiente de perdida se determina de la siguiente manera: δ=

h2 −h2 s ho 2−h 2

En donde la entalpia isentrópica final es el valor obtenido en una expansión o compresión isentrópica para la misma presión estática final que el proceso que se lleva a cabo, el aumento de entropía es una de las definiciones más comunes del coeficiente de perdida, en realidad la única medida acertada en la pérdida de un flujo es la entropía, la entropía es una medida particularmente conveniente debido a que, a diferencia de la presión de estancamiento, entalpia de estancamiento o energía cinética, su valor no depende de un marco de referencia. Para un flujo adiabático a través de unos álabes estacionarios, la temperatura de estancamiento es constante y la entropía aumenta dependiendo solo de los cambios de la presión de estancamiento. En un flujo estable, la entropía aumenta y el coeficiente de pérdida de presión de estancamiento puede ser usado para determinar las pérdidas, sin embargo en una turbomaquinaria real, los flujos son inestables y la presión de estancamiento relativa y la temperatura pueden cambiar. Actualmente se cuenta con mayor información y modelos por computadoras de esta manera se reducen las pérdidas que son causadas por el flujo y su interacción con los álabes. CONCLUSION 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, pero aquí no se detuvo su evolución y siguió evolucionando hasta las centrales, normalmente

16

eléctricas de hoy en día. Un ejemplo de una de las centrales hidroeléctricas más importantes que funcionan en Venezuela como es el caso de la central hidroeléctrica del Guri o como la central termoeléctrica Josefa Camejo, estas centrales, usan los principios fundamentales de las turbinas para convertir el trabajo mecánico producido en energía eléctrica 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.

17

ANEX OS

18

Esquema de turbofan

19

Turbina Pelton

20

Turbina Francis

21

Alabes de turbinas (Estator y rotor )

22

BIBLIOGRAFIA COMPRESORES AXIALES (n.d) extraido 18/07/2015 disponible en línea: http://www.turbinasdegas.com/index.php/el-compresor Turbomáquina Fuente: oldid=60347800

http://es.wikipedia.org/w/index.php?

Contribuyentes:

Andreina

cristians,

Carabás,

Castrilloc, Emilio Juanatey, Gdqhadqsn, HUB, Humberto, Ilafuente, Leonpolanco, Madalberta, Maldoror, Matdrodes, Mgarciafernandez, Petronas, Rafa606, Rafael.heras, RoyFocker, Tano4595, Vatelys, 61 ediciones anónimas

23