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TURBOMAQUINAS Y MAQUINAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO
Ing. Arturo Maldonado Rivera
1 Las turbomáquinas
1.1 Características Generales
1.2 Clasificación
1.3 Campos de Aplicación
1.1 Características Generales
• Una turbomáquina es una máquina que intercambia energía con un fluido. El intercambio de energía se efectúa a través de la iteración dinámica entre un fluido de flujo continuo y el componente giratorio de la maquina.
• Ejemplos de esas máquinas incluyen los motores de las aeronaves y las turbinas eólicas.
• El nombre de turbomáquina deriva de la palabra latín turbo que significa torbellino.
ROTOR
VOLUTA
Bomba centrifuga
Motor de propulsión
Molino de viento
1.1 Características Generales
• En la turbomáquina un álabe o una fila de álabes giran e imparten energía a un fluido o extraen energía de un fluido.
• Si la energía es extraída desde el fluido por medio de su expansión hasta una presión inferior, las maquinas se denominan turbinas (de vapor, de gas o hidráulicas). Si la energía se transfiere al fluido incrementando de esta manera su presión, las máquinas se llaman bombas, compresores, sopladores o ventiladores.
Turbocompresor
Bomba centrifuga
1.1 Características Generales
• Una turbomáquina tiene un elemento giratorio que proporciona iteración continua con el flujo del fluido. Se entrega energía mecánica por medio de este elemento. La energía contenida en el flujo del fluido puede estar como energía cinética o como entalpia estática. Estos modos de energía pueden transformarse en cualquier dirección a través de un difusor o una tobera.
• Algunas veces se necesitan componentes adicionales que orienten el fluido en una dirección apropiada.
Eje Principal
Cámara Espiral Alabes Guías
Rotor
Tubo de Succión
Barra de Regulación
Nivel del Canal de Desagüe
Turbina Francis
1.2 Clasificación
• En la práctica, generalmente encontramos dos
clases de turbomáquinas: las turbomáquinas
abiertas y las turbomáquinas cerradas. Las
turbomáquinas abiertas tales como las hélices,
los molinos de viento y los ventiladores sin
difusor, actúan sobre una extensión infinita de
fluido, mientras que las turbomáquinas cerradas
operan sobre una cantidad finita de fluido en
tanto circulan a través de carcasas o ductos.
Hélice de aeronave
Ventilador axial sin difusor
Ventilador axial en el interior de un ducto
Bombas centrifugas
1.2 Clasificación
• Las turbomáquinas pueden clasificarse de diferentes maneras. Un criterio de clasificación esta basada en la dirección de la transferencia de energía, vale decir, si éstas producen energía o absorben energía. Ejemplos incluyen a la turbina Francis, turbina Kaplan y las turbinas de gas y vapor para la primera categoría y las bombas centrífugas, compresores, ventiladores y sopladores para la segunda categoría.
Turbina Francis
RR Rotor
Alabe Guía
Turbina axial
Turbina de vapor
Bomba centrifuga
1.2 Clasificación
• Otro criterio de clasificación se basa en la dirección del flujo en el rotor. Basado en este criterio la turbomáquina podría clasificarse como turbomáquina de flujo axial, flujo radial o flujo mixto. Ejemplos de turbomáquinas de flujo axial son las turbinas Kaplan y los ventiladores, compresores y sopladores de flujo axial. Una bomba centrifuga y una turbina Francis son ejemplos de turbomáquinas de flujo radial.
Rotores Radiales Vista con las tapas frontales removidas
Rotor del tipo de flujo mixto
Rotor del tipo de flujo mixto semi-axial
Bomba de flujo axial
1.2 Clasificación
• Otro criterio en la clasificación de las turbomáquinas se basa en la naturaleza del fluido de trabajo, es decir, si es compresible o incompresible. Ejemplos de la primera categoría son varios tipos de turbinas de gas y vapor, compresores y otros más, mientras que todos los tipos de turbinas hidráulicas, bombas, sopladores de baja velocidad y ventiladores pertenecen a la segunda categoría
Motor de propulsión
Turbina Francis
1.2 Clasificación
• Debemos mencionar otro criterio adicional de clasificación y se refiere a que todas las turbomáquinas pueden clasificarse o cómo una turbomáquina de impulsión o cómo una de reacción dependiendo de que si existe o no variación de la presión en el flujo que circula por el interior del rotor. En la turbomáquina de impulsión, toda la variación de presión del flujo ocurre en una o más toberas, para luego el flujo orientarse directamente sobre el rotor. La rueda Pelton es un ejemplo de una turbina de impulsión
Rueda Pelton de un chorro
RUEDA
CHORRO
TOBERA
FLUJO
TUBERÍA ENTRADA
Rueda Pelton de múltiples chorros
Ventilador centrifugo
1.2 Clasificación
• En función a su disposición mecánica:
Bombas de eje horizontal o vertical.
Bombas de simple o doble succión.
Compresor/bomba de simple o múltiples etapas.
Ventiladores con alabes curvados hacia atrás,
rectos y curvados hacia adelante.
Turbinas de admisión total o parcial.
Turbina eólica de eje horizontal o vertical.
Bomba de eje vertical
Bomba de doble succión
Bomba de múltiples etapas
Rotores de Ventiladores con alabes curvados hacia adelante, rectos y curvados hacia atrás
1.3 Campos de Aplicación
• Las turbomáquinas son esenciales para la operación del mundo moderno. Las turbinas se usan en toda la producción significativa de electricidad a lo largo del mundo ya sea en centrales eléctricas con turbinas de vapor, centrales eléctricas con turbinas de gas, centrales hidroeléctricas y a través de turbinas eólicas.
Central térmica
Central térmica
Turbina de gas
Turbina de gas
Central hidráulica
1.3 Campos de Aplicación
• Diversos tipos de bombas se emplean en el transporte de agua, incluyendo bombas de alimentación de calderas, bombas de condensado y bombas de circulación de agua fría.
• En sistemas operados por fluidos, los cuales se encuentran en muchas industrias, se emplean diversos tipos de bombas, ventiladores, sopladores y compresores para presurizar y transportar el liquido o gas. Ejemplos típicos son los sistemas HVAC, de tratamiento de agua, irrigación, en refinerías y otros.
Bomba de alimentación de Calderas
Modulo de aire acondicionado
1.3 Campos de Aplicación
• Las bombas se usan para el transporte de agua en los sistemas de abastecimiento de agua en la toda la ciudad y en los hogares, además, las bombas y las turbinas son esenciales en el transporte de combustible liviano y gas a través de redes de tuberías. Motores con turbinas de gas se usan para mover todas las aeronaves de transporte de pasajeros ya sea como motores de turbo propulsión o turbo ventilador, además, utilizando una caja de transmisión, las turbomáquinas mueven a todos los helicópteros.
Bombas centrifugas
Modulo de aire acondicionado
Motor de propulsión
Motor de propulsión
1.3 Campos de Aplicación
• En resumen, turbomáquina es todo lo que esta a tu alrededor y representa un tema de interés que requiere mucho estudio e investigación.
1 Las máquinas de desplazamiento positivo
1.1 Características Generales
1.2 Clasificación
1.3 Campos de Aplicación
1.1 Características Generales
• Las máquinas cuyo funcionamiento dependen esencialmente del cambio de volumen de una cierta cantidad de fluido dentro de la máquina se conoce como máquinas de desplazamiento positivo.
• La palabra desplazamiento positivo proviene del hecho de que hay un desplazamiento físico de una cierta masa de fluido.
1.1 Características Generales
• Este principio se utiliza en la práctica debido al
movimiento alternativo de un pistón dentro de
un cilindro mientras queda atrapado en su
interior una cierta cantidad de fluido. Por ello la
palabra alternativa comúnmente se usa para
nombrar a las máquinas de esta clase.
1.1 Características Generales
• Las máquinas que producen energía mecánica se
conocen como motores alternativos, mientras
que las máquinas que desarrollan energía en el
fluido a partir de la energía mecánica se conocen
como bombas alternativas o compresores
alternativos.
1.1 Características Generales
• En todas las bombas alternativas existen válvulas anti-retorno en la succión y la descarga. El fluido fluye a través de la válvula de succión e ingresa a la cámara en tanto retrocede el émbolo, pistón o diafragma. Al final de la carrera, la cámara está a su máximo tamaño. La válvula de succión se cierra, el émbolo se mueve hacia adelante forzando la salida del fluido a través de la válvula de descarga. El flujo que proviene de cada cámara es un flujo pulsante.
1.1 Características Generales
• En todas las bombas rotatorias, la cámara se crea progresivamente a través de la rotación del eje de accionamiento. Las cámaras se sellan en el lado de la succión por los espacios reducidos entre el rotor y la carcasa o por los espacios reducidos entre los rotores engranados. La rotación del eje desplaza la cámara a lo largo de la carcasa hacia la descarga. La liberación se desarrolla con el giro mientras se expulsa el volumen de tal manera que el flujo típicamente es libre de pulsación.
1.1 Características Generales
Máquinas alternativas:
• Velocidad de giro 300-500rpm
• Mayor irregularidad en el funcionamiento
• Más posibilidades de cavitación.
• Son las que alcanzan las mayores presiones.
• Precisan válvulas de protección.
1.1 Características Generales
Máquinas alternativas:
• Es un embolo el que interactúa con el fluido.
• Características:
– La entrada y salida de la bomba nunca quedan comunicadas.
– Disponen de válvulas que aíslan el fluido.
– Flujo de caudal discontinuo.
1.2 Clasificación
Tipos de Bombas alternativas:
• Diafragma
• Embolo o pistón.
• De simple efecto
• De doble efecto
• De un cilindro
• Duplex
• Triplex
1.1 Características Generales
Máquinas rotativas:
• Velocidades de giro 3000-5000rpm
• Mayor uniformidad en el funcionamiento
• Presiones de 100-200 kg/cm2
• No precisan válvulas de protección.
1.1 Características Generales
Máquinas rotativas:
• Dispositivo que produce el desplazamiento gira en torno a un eje.
• Características:
– No tienen válvulas.
– El flujo de caudal es continuo.
– Los elementos que giran generan huecos que son ocupados por el fluido.
1.2 Clasificación
Tipos de Bombas rotativas:
• Paletas
• Embolo
• Flexible
• Lóbulos
• Engranajes
• Tornillo
1.3 Campos de aplicación
• Las bombas de desplazamiento positivo se usan generalmente en servicios de alta presión.
• Conveniente para fluidos altamente viscosos.
• Tiene gran tolerancia para entrada de gases.
• Se adapta a aplicaciones en servicios con solidos en suspensión.