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• Johann Schwarze Acosta

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TURBOMAQUINAS Y LABORATORIO ILM - 322

Unidad 1: Turbomáquinas hidráulicas Dr.-Ing. Miriam Roth

Unidades 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13.

Introducción Turbomáquinas hidráulicas Turbomáquinas térmicas Repaso de Termodinámica. Leyes Fundamentales Repaso de Termodinámica. Gases Ideales. Números Adimensionales Teoría unidimensional de etapas Aplicación en bombas y compresores Aplicación en turbinas Repaso general Selección y puntos de trabajo de TM Fenómenos de operación en TM Control y seguridad en TM

ILM 322 Turbomáquinas

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Introducción Turbomáquinas hidráulicas • Turbomáquinas hidráulicas – flujo líquido o gas no compresible => ρ=cte – aprovechan sólo energía mecánica del fluido

1. Turbinas hidráulicas 2. Bombas 3. Ventiladores

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Introducción Turbomáquinas hidráulicas • Transforman energía de líquido (agua) en trabajo mecánico o viceversa • Acoplado a: – generador => Eeli – motor => presión o velocidad

• Forma rodete => f(𝑉 ,H) Número específico de revoluciones: (specific speed) • n: revoluiones en rpm • H: altura en m • 𝑉: caudal en m3/s ILM 322 Turbomáquinas

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𝑛𝑞 = 𝑛

𝑉 𝐻

3

4

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Turbinas hidráulicas Aplicaciones a. Generación de energía eléctrica b. Recuperación de energía a. Generación de energía – Centrales hidroeléctricas => utilizan diferencias de energía potencial naturales o artificiales – Microcentrales (micro hydro power): hasta 100kW con una turbina – Minicentrales (mini hydro power): hasta 1 MW con una turbina – Grandes Hidrocentrales (hydro power): sobre 1MW con una o varias turbinas ILM 322 Turbomáquinas

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Turbinas hidráulicas Aplicaciones b. Recuperación de energía • Procesos industriales (lavado gas) • Desalinización de agua • Extracción en sistemas de agua a alta presión alta presión

baja presión ILM 322 Turbomáquinas

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Turbinas hidráulicas Aplicaciones • Extracción en sistemas de agua a alta presión

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Turbinas hidráulicas Clasificación

Turbinas hidráulicas

…según principio de intercambio de energía Impulso (Δp = cte)

Reacción (Δp ≠ cte)

Pelton Banki Turgo

Francis Kaplan Bulbo

https://www.youtube.com/watch?v=k0BLOKEZ3KU ILM 322 Turbomáquinas

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Turbinas hidráulicas Otras clasificaciones • Altura neta central: – Centrales alta p => H > 200m – Centrales media p => 20 < H < 200m – Centrales baja p => H < 20m

• Regulación: – – – –

inyector álabes directrices álabes regulables doble regulación

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Central de alta presión

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Central de media presión

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Central de baja presión

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Turbinas hidráulicas Otras clasificaciones • Eje: horizontal o vertical

• Rodete => Pelton, Francis, Kaplan (Hélice) ILM 322 Turbomáquinas

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• erosión • buena regulación • tamaños mayores • rendimiento máx más bajo

• buena regulación • tamaños menores

construcción económica y fácil gran rango utilización mejores rendimientos

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Turbinas hidráulicas Rendimientos

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Turbina Pelton • Turb. Impulso o acción

• Trabajan a patm • Epot => Ekin (tobera) • Control => flujo inyector • N° toberas => f(𝑉 ) y ns (1 a 6) • Grandes saltos (180-1800m) • Limitante: F centrífuga y erosión

https://www.youtube.com/watch?v=rf9meqw2SQA ILM 322 Turbomáquinas

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Otras turbinas hidráulicas • Turgo

• Banki

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Turbinas de reacción • Transforman energía en corona fija álabes directrices ajustables • Todos los espacios están llenos de agua a presión • Velocidad cambia en magnitud y dirección => Freactiva • Presión cae a través rodete ILM 322 Turbomáquinas

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Turbina Francis • Entrada radial / salida axial • Alturas medias 30 a 180m • Caudales medianos • Presión salida cae bajo atm • Limitante: cavitación – (máx. 800m) https://www.youtube.com/watch?v=3BCiFeykRzo

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Turbina Francis

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Turbina Kaplan y Hélice • Flujo axial / n° álabes 4 a 6 • Corona de álabes directrices ajustables • Kaplan => álabes rodete móviles • Grandes caudales, poca altura más utilizadas • Ventajas sobre desplazamiento positivo – estandarizadas para alto rango de potencias – flujo uniforme – costos bajos – fácil regulación (válvula)

• Tipos de bombas desplazamiento positivo https://www.youtube.com/watch?v=Qy1iV6EzNHg ILM 322 Turbomáquinas

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Bombas centrífugas • Rodete => Ekin al fluido • Álabes directrices (voluta) Ekin en Ep • Cumplen con la ecuación de Euler • Cebado => producir vacío en ducto succión • Varios tipos según condiciones de funcionamiento

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ducto presión brida presión

dirección giro

eje

carcaza

ducto succión rodete/impulsor

brida succión

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Bombas centrífugas • Etapa= conjunto de rodete (rotor/impulsor) + corona fija (estator) y/o caja espiral (voluta) • Varias etapas =>↑Δp • Horizontales /verticales

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Bombas centrífugas Tipos • Sumergibles (succión / completa)

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Clasificación según admisión • en paralelo=> ↑𝑉

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Clasificación según componente • Voluta & álabes / corona directriz

www.ksb.com ILM 322 Turbomáquinas

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Clasificación según motor • Motor acoplado o integrado

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Forma rodete • Forma rodete (impulsor) => número específico de revoluciones • Specific speed 𝑛 ∙ 𝑉 0.5 𝑛𝑞 = 𝐻 0.75

𝑛𝑠 = 3.65 𝑛𝑞

• H : altura de elevación de la bomba en m • 𝑉 : caudal de la bomba en m3/s • n : revoluciones en rpm • y : trabajo específico ≈ g H j/kg • n : revoluciones en rps ILM 322 Turbomáquinas

σ𝑌𝑀

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𝑛 ∙ 𝑉 0.5 = 2.108 0.75 𝑦 slide: 37

Forma rodete

http://www.ksb.com/Kreiselpumpenlexikon_de/Pumpenlexikon/1562758/laufrad.html ILM 322 Turbomáquinas

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Clasificación según rotor • Radial, diagonal, axial / abierto cerrado nq = 35...160

nq = 10...35

radial (vista frontal sin cubierta)

diagonal (hélice semiaxial)

nq = 160...400

nq = 35...160

Semiaxial (tipo tornillo diagonal) ILM 322 Turbomáquinas

Axial (Hélice) Prof.: Dr.-Ing. Miriam Roth

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Construcciones especiales • Tapa removible – Líquidos que solidifican fácilmente => limpieza – Rodete abierto

• Rodetes especiales – Pocos álabes forma S

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Campo aplicación

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Sellos típicos • prensa estopa (stuffing box) • sello mecánico (mechanical seal)

http://www.ksb.com/Kreiselpumpenlexikon_de/Pumpenlexikon/1563050/wellendichtung.html

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Descansos típicos (bearings) • Rodamientos (ball/thrust-bearing)

• Buches (cojinetes) (slide/journal-bearing)

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Componentes

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Componentes

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Componentes

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Resumen

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Ventajas

Desventajas

libre elección sistema accionamiento

espacio alineamiento costos adicionales (acople, base, etc)

espacio menor no costos adicionales no alineamiento

limitado a motores eléctricos de app. 45kW

instalación directa en tuberías espacios mucho menores no costos adicionales no alineamiento

limitado a motores eléctricos de app. 45kW

ahorro espacio varias etapas no costos adicionales no alineamiento

limitado a motores eléctricos de app. 55kW

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Resumen Ventajas

Desventajas

instalación directa en estanques o superficies no se necesita tubería succión si rodete en agua funcionamiento inmediato

costos de sala máquinas debe estar sobre el nivel

instalación directa en estanques o superficies no se necesita tubería succión funcionamiento inmediato no es necesaria sala máquina especial

motor especial sumergible temperatura limitada a 40-50°C

instalación en perforaciones, sin transmisión

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ventiladores ILM 322 Turbomáquinas

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Clasificación TM Ventiladores • Según relación de presiones : – ventiladores 1 < π < 1,1 una etapa / axial

=>

– sopladores 1.1 < π < 3 => una (pocas) etapas/radial y axial – compresores 3 < π => varias etapas radial / múltiples etapas axial

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Aplicaciones • Enfriar (CPU, motores, torres enfriamiento,…) • Ventilación (túneles, edificios, ...) • Aumento oxígeno quemadores • Secado (madera, fruta, …) • Climatización • Transporte partículas • Diluir concentraciones gases tóxicos

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Ventiladores Tipos • Radiales

Axiales

• Álabes de ventiladores radiales más ruido, ↑ dp

más eficientes ILM 322 Turbomáquinas

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Ventilador axial

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Importancia de las TM en el consumo energético

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