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 Motoras energía: 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 lóbulo de husillo Peristáltica

de paletas de pistones 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.

2211 UCUCW W: Energía intercambiada fluido - rotor por unidad de

masa que ingresa en los alabes o atraviesa el rotor

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).

CLASIFICACIÓN DE TURBOMÁQUINAS

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.

Turbina de vapor Turbina de gas Compresor

PRINCIPALES TURBOMÁQUINAS TÉRMICAS

PRINCIPALES TURBOMÁQUINAS HIDRÁULICAS

Bomba Ventilador T. Pelton T. Michell-Banki

T. Francis T. Kaplan T. Bulbo T. Eólica

CLASIFICACIÓN SEGÚN DIRECCIÓN DEL FLUJO EN EL ROTOR

RadialesAxialesDiagonales (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

rotor

Brida de entrada

Brida de salida

Conducto de alimentación

voluta

rodamientos

Sello mecánico

eje

principales elementos de una bomba

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.

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.

Características

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

Rotor

Tubo de

succión

Voluta

Eje

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)

Ze

Zs

Ps Vs

Ps

Vs

Brida desalida

Brid

a de

entr

ada

)(2

22

eseses ZZ

g

VVPPH

Generalmente los términos y son despreciables 

Así que podemos escribir:

g

VV es

2

22 )( es ZZ

es PP

H

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)

N

HQT

..

CURVAS CARACTERISTICAS DE LAS BOMBAS

H

N

dth

H

N

dth

Q2Q

2nn

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)

2

13

2

1

n

n

Q

Q

2

2

12

2

1

n

n

H

H

H

Q

n2

n1

n2 >n1

2

1

2

1

n

n

Q

Q

2

2

1

2

1

n

n

H

H

BOMBA QUE OPERA EN DISTINTAS ROTACIÓN

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

4

3

21

H

Qnne

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)

0P 00 V

BOMBA

eP

eV

Z

0PePy Son presiones absolutas

Z Constante

para que no haya cavitación tiene que ser: rNPSHdNPSH )()(

VP

YZP

0

ie P

g

V )(

2

2 NET POSITIVE SUCTION HEAD REQUERIDO

POR LA BOMBA( )NPSH r

NET POSITIVE SUCTION HEAD DISPONIBLE( )NPSH d

TEORÍA DE TURBINAS HIDRAULICAS

QH

NT

RENDIMIENT TOTAL DE LA TURBINA 

Se define como el cociente entre la potencia del eje (N) y la

potencia hidráulica cedida por el fluido.

2

2

12

2

1

n

n

H

H

2

13

2

1

n

n

Q

Q

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)

4/5

2/1

4/3

2/1

H

Nnn

H

Qnn se

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.

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.

e

pr H

H

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.