Transcript Turbomáquinas hidráulicas

TURBOMAQUINAS
HIDRAULICAS
Ph. D. Edgar Paz Pérez
MAQUINAS DE FLUIDOS
Máquina
es un transformador de energía. La maquina absorbe una clase de
energía y restituye otra clase de energía.
Ejemplos: ventilador, motor eléctrico, molinos, motor de combustión,
torno, cierra eléctrica, etc.
Máquina de fluido
es aquella en que el intercambio de energía se realiza a través de un
fluido, ya sea suministrando la energía a la maquina (como el caso
de las turbinas) o absorbiéndola (como en el caso de las bombas,
ventiladores, compresores).
CLASIFICACIÓN DE MÁQUINAS DE FLUIDO
1.- Principio de Funcionamiento:
Turbomáquinas
De desplazamiento positivo.
2.- Compresibilidad del fluido:
De fluido compresible
De fluido incompresible
3.- Sentido de transmisión de la
energía:
Motoras
Generadoras
se utilizara como criterio de clasificación mas general el principio
de funcionamiento
Según Principio de Funcionamiento
• Turbomáquinas
• Maquinas de desplazamiento positivo
Maquinas de desplazamiento Positivo
en una maquina de desplazamiento positivo una cantidad determinada
de fluido es retenida en su paso a través de la maquina, experimentando
una variación de presión gracias a la variación de volumen del órgano de
retención.
El órgano de retención puede ser un diafragma o membrana, un embolo
(Alternativas,) o un elemento giratorio (rotativas)
de engranajes
de paletas
de lóbulo
de pistones
de husillo
Peristáltica
de diafragma
Turbomáquina (Maquinas de flujo)
Máquinas de fluido en que el Intercambio Energético se debe a la variación
de la cantidad de movimiento del fluido, que pasa entre los Alabes de un
elemento rotatorio, llamado Rotor.




W  C1  U1  C 2  U 2
W: Energía intercambiada fluido - rotor por unidad de
masa que ingresa en los alabes o atraviesa el rotor
CLASIFICACIÓN DE TURBOMÁQUINAS
Según compresibilidad del fluido
Turbomáquinas hidráulicas y térmicas
Turbomáquinas hidráulicas
Son aquellas en que el volumen especifico del fluido no varia o varia en
medida despreciable durante su recorrido al interior de la maquina
(ventiladores, turbo bombas, turbinas hidráulicas, turbinas eólicas).
Turbomáquinas térmicas
son aquellas en que hay variación apreciable del volumen especifico del
fluido que atraviesa la máquina. (compresores, turbinas de gas y de
vapor).
Según el sentido de la transmisión de energía
Turbomáquinas generadoras u operativas: en las cuales las paredes
Sólidas móviles ceden trabajo al fluido.
turbomáquinas hidráulicas generadoras: turbo bombas y ventiladores
turbomáquinas térmicas generadoras: compresores centrífugos y axiales
Turbomáquinas motrices: en las cuales el fluido cede trabajo a la
paredes sólidas móviles.
turbomáquinas hidráulicas motrices: turbinas Pelton, Francis, Kaplan,
Bulbo, Michell-Banki, eólicas
turbomáquinas térmicas motrices: turbinas de vapor y de gas.
PRINCIPALES TURBOMÁQUINAS TÉRMICAS
Turbina de vapor
Turbina de gas
Compresor
PRINCIPALES TURBOMÁQUINAS HIDRÁULICAS
Bomba
T. Francis
Ventilador
T. Kaplan
T. Pelton
T. Bulbo
T. Michell-Banki
T. Eólica
CLASIFICACIÓN SEGÚN DIRECCIÓN DEL FLUJO EN EL ROTOR
Radiales
Axiales
Diagonales (Semiaxiales)
Tangenciales
DESCRIPCIÓN DE LAS PRINCIPALES
TURBOMÁQUINAS HIDRAULICAS
Turbobomba
Turbomáquina hidráulica utilizada para impulsar un liquido. En
algunos casos son utilizados para bombear, pastas y líquidos con
sólidos.
Aplicaciones:
•Bombeo de agua residencial
•Pozos tubulares
•Agricultura
•Combate a incendios
•Industrias: petroquímicas, de alimentos, agroindustrias y otras.
Funcionamiento de una bomba centrifuga
VIDEO
principales elementos de una bomba
Brida de salida
Sello mecánico
voluta
eje
Brida de entrada
rodamientos
rotor
Conducto de
alimentación
TIPOS DE ROTORES DE BOMBAS CENTRIFUGAS
cerrado
Semiabierto
Semiabierto
Ventiladores
Es una Turbomáquina que impulsa un fluido gaseoso. En algunos
casos se impulsa un gas con partículas.
Aplicaciones:
•Aire para combustión
•Gases de combustión
•Aire caliente para procesos
•Ventilación
•Secado
Elementos de un ventilador centrifugo
Turbinas hidráulicas
Turbomáquina que aprovecha la energía hidráulica de una caída de agua para
transformarla en energía mecánica de rotación.
Son utilizadas principalmente para generar energía en centrales hidroeléctricas.
Turbina Pelton
• Inventada por Lester Allen Pelton (1880).
• También llamada de chorro libre.
• Es una turbina de acción, tangencial, de admisión parcial
• Utilizada en grandes alturas y pequeños caudales.
• Tiene un rendimiento máximo de 92%.
Funcionamiento de una turbina Pelton
Elementos de una turbina pelton
Detalles constructivos
Detalles constructivos
Turbina Michell-Banki
También conocida como turbina de Flujo Cruzado, (Cross-Flow), de Flujo
Transversal, Michell y Michell-Ossberger.
Es una turbina de acción, de entrada radial, de admisión parcial y de flujo
transversal.
Características
Pueden operar en amplios intervalos de caudal fuera del punto óptimo, teniendo
una variación suave de su eficiencia.
su construcción es simple y puede ser construida en pequeños talleres.
Debido a su simplicidad de construcción y funcionamiento, para bajas caídas, es
la turbina que presenta los menores costos iniciales, de operación y de
mantenimiento.
Son turbinas que se adaptan muy bien para ser usadas en el medio rural y en
centrales Hidroeléctricas pequeñas.
Elementos de una turbina Michell-Banki
Turbina Francis
• Inventada por Bicheno Francis aproximadamente en 1850.
• Son turbinas centrípetas de reacción y de admisión total.
• Son utilizadas en medianas y bajas alturas y en caudales intermedios.
• Actualmente su rendimiento máximo llega a superar 95%.
Funcionamiento de una turbina Francis
Elementos de una turbina Francis
Voluta
Distribuidor
Rotor
Tubo de succión
Turbina Kaplan
Inventada por Víctor Kaplan en 1912.
Son turbinas de reacción, de alabes orientables.
Utilizadas en pequeñas alturas y grandes caudales.
Son las turbinas mas económicas para medianas y grandes potencias.
•Actualmente su rendimiento máximo llega a superar 95%.
Funcionamiento de una turbina Kaplan
Elementos de una turbina Kaplan
Eje
Voluta
Rotor
Tubo de
succión
Rotor
Turbina Bulbo
Llamadas también turbinas pelton modificadas.
Ocupan menos espacio que estas debido a que no tienen la caja espiral y la parte
vertical del tubo de succión.
Utilizadas en alturas muy pequeñas, donde no es posible utilizar las turbinas
Kaplan.
Son ideales para aplicarlas en centrales mareomotrices.
Detalles constructivos
Turbinas eólicas
Elementos de un turbina eólica
TEORÍA DE TURBO BOMBAS
ALTURA ÚTIL (H)
Brida de
salida
Ps Vs
Ps
Vs
Brida de
entrada
Ze
Zs
H
Ps  Pe

V  Ve
 s
 (Z s  Ze )
2g
2
2
Generalmente los términos y son despreciables
Así que podemos escribir:
H
Ps  Pe

Vs  Ve
2g
2
2
(Z s  Z e )
CAUDAL DE LA BOMBA (Q)
está definida como el volumen de fluido que en la unidad de tiempo
atraviesa la brida de entrada (o de salida) de la bomba.
RENDIMIENT TOTAL DE LA BOMBA
se define como el cociente entre la energía “útil” cedida al fluido en la
unidad de tiempo y la potencia del eje (n)
T 
 .Q.H
N
CURVAS CARACTERISTICAS DE LAS BOMBAS
H
N
H

hdt
n  n2

N
hdt
Q2
Q
SIMILITUD DE BOMBAS
dos bombas son geométricamente símiles cuando el cociente entre
longitudes correspondientes de las dos bombas se encuentra siempre
el mismo valor que llamamos “relación de similitud geométrica”.
dos bombas operan con campos de velocidades símiles cuando el
cociente entre velocidades (absoluta, relativa, de arrastre)
correspondientes se encuentra siempre el mismo valor.
dos bombas geométricamente símiles tienen iguales rendimientos
(volumétrico, hidráulico y orgánico)
Q1
n
 3 1
Q2
n2
n
H1
 2  1
H2
 n2



2
BOMBA QUE OPERA EN DISTINTAS ROTACIÓN
n 
H1
  1 
H2
 n2 
Q1 n1

Q2 n 2
2
H
n >n
2
1
n2
n1
Q
NÚMERO DE VUELTAS ESPECÍFICO
Dos bombas geométricamente símiles que operan con campos de
velocidades símiles, TIENEN EL MISMO VALOR DE NÚMERO DE
VUELTAS ESPECÍFICO ne
ne 
nQ 
1
2
H  4
3
CAVITACIÓN
Fenómeno que se da por la formación de burbujas de vapor en las
zonas de baja presión de la bomba (o turbina); que al seguir la
corriente, en las zonas de mayor presión, condensa violentamente.
La pronta condensación de las gotas produce un terrible martilleo
sobre la superficie del álabe, fuertes vibraciones y también un
calentamiento local que en combinación origina la erosión y corrosión
que en poco tiempo provocan la destrucción del álabe
NET POSITIVE SUCTION HEAD (NPSH)
P0
V0  0
P0
y
Pe Son presiones absolutas
Z  Constante
Z
Pe
Ve
BOMBA
para que no haya cavitación tiene que ser:
(NPSH)d  (NPSH)r
( NPSH )d
 P0
 P
  Z  Y   V

 
NET POSITIVE SUCTION HEAD DISPONIBLE
( NPSH )r
Ve2 (P)i

2g

NET POSITIVE SUCTION HEAD REQUERIDO
POR LA BOMBA
TEORÍA DE TURBINAS
HIDRAULICAS
RENDIMIENT TOTAL DE LA TURBINA
Se define como el cociente entre la potencia del eje (N) y la
potencia hidráulica cedida por el fluido.
N
T 
QH
SIMILITUD EN TURBINAS
dos turbinas geométricamente símiles cuando el cociente entre dos
longitudes correspondientes de las dos turbinas se encuentra siempre
el mismo valor que llamamos “relación de similitud geométrica”.
dos turbinas operan con campos de velocidades símiles cuando el
cociente entre dos velocidad (absoluta, relativa, de arrastre)
correspondientes a los dos campos se encuentra siempre el mismo
valor.
dos turbinas geométricamente símiles tienen iguales rendimientos
(volumétrico, hidráulico y orgánico)
 H1

 H2

n
  2  1

 n2



2
n 
Q1
 3  1 
Q2
 n2 
NÚMERO DE VUELTAS ESPECÍFICO
Dos turbinas geométricamente símiles que operan con campos de
velocidades símiles, TIENEN EL MISMO VALOR DE NÚMERO DE
VUELTAS ESPECÍFICO ne
y ns.
Q1/ 2
ne  n 3 / 4
H
N 1/ 2
ns  n 5 / 4
H
Campo de Aplicación de la Turbinas hidráulicas
Campo de Aplicación de la Turbinas hidráulicas
Grado de reacción
El grado de reacción establece si existe variación de presión a
través del rotor de la turbina.
Este parámetro es el cociente entre la altura de presión del rotor y
la altura total.
r 
Hp
He
Donde:
r
: Grado de reacción
Hp
: Altura de presión
He
: Altura de Euler
Clasificación de las turbinas hidráulicas según el grado de
reacción
• Turbinas de acción
• Turbinas de reacción.
Turbinas de acción
Son aquellas en que el grado de reacción es cero (r =0). Esto quiere
decir que en este tipo de turbinas no ocurre variación de presión a
través del rotor.
Las turbinas de acción no presentan tubo de succión.
Entre estas turbinas tenemos: las turbinas Pelton, Michell-Banki y
Turgo.
Turbinas de reacción
En estas turbinas el grado de reacción es diferente de cero, Esto
quiere decir que hay variación de presión a través del rotor.
Las turbinas de reacción en la mayoría de los casos presentan tubo de
succión.
Entre estas turbinas tenemos: las turbinas Francis, Kaplan, Deriaz,
Bulbo entre otras.