8-TURBINAS AXIALES8-TURBINAS AXIALES

Turbomáquinas Térmicas CT-3412

Prof. Nathaly Moreno SalasIng. Victor Trejo

Contenido

� Historia

� Generalidades

� Premisas para el estudio de una turbina axial

� Etapa de una turbina axial axial� Etapa de una turbina axial axial

� Triángulos de velocidad y diagrama h-s

� Etapa de expansión

� Etapa normal

� Triángulos de velocidad

Historia

� Herón de Alejandría (120 a.C) demuestra que se puede obtener movimiento rotativo a través de la expansión través de la expansión de vapor a través de toberas

Eolipilia

Historia

� Karl de Laval (1845-1913)

� 1882: Introduce su concepto de turbina de vapor de impulso.

1887: Construye su � 1887: Construye su primer prototipo de turbina de vapor.

� 1890: diseña la tobera convergente-divergente, base de la propulsión moderna

Historia

� Charles Parsons (1854-1931)

� 1891: Desarrolla la primera turbina multiaxial de vapor: 15 multiaxial de vapor: 15 etapas, 100 kW @ 4.800 rpm.

� 1897: el Turbinia es accionado por una turbina Parsons de 1.570 kW

Generalidades

� Son utilizadas en la generación de energía eléctrica (turbinas de vapor) o como parte de turbinas a gas.turbinas a gas.

� Propulsión área (como parte de turbinas a gas)

� Para accionamiento de turbcompresores.

� En aeromodelismo (microturbinas)

Premisas para el estudio de las turbinas axiales

� Análisis bidimensional o “quasi 2D”. La velocidad en la dirección radial es igual a cero → flujo paralelo al eje.

� Se estudia en el plano medio del álabe (representativo de la etapa)(representativo de la etapa)

� Si la relación de envergadura respecto a la cuerda no es grande

� Infinitos álabes

� Régimen permanente

� Flujo Incompresible

Etapa de una Turbina Axial (1/3)

� En una turbina axial el flujo entra en una corona de álabes fijos (estator) que actúan como toberas que aumentan su velocidad y direccionan el flujo para pasar al rotor.

1

2

3

1

2

3

Etapa de una Turbina Axial (2/3)

� Etapa de expansión:� Estator (direccionamiento del flujo, aumento de la velocidad)velocidad)

� Rotor

Etapa de expansión (turbina axial)

Etapa de una Turbina Axial (3/3)

Turbina axial � En el estator:

12

12

pp

cc

<>

012 =∆ th

� En el rotor:

23 cc <

Fuente: Presentaciones de la asignatura Fundamentos de los turbomáquinas térmicas de la universidad de Stuttgart

� Segunda forma de la ecuación de Euler:

( ) ( ) ( )[ ]23

22

22

23

22

2323 2

1wwuuccwt −+−+−=

023 <∆ th

23

23

23

ww

pp

cc

><<

En las turbomáquinas axiales: 23 uu ≈

Triángulos de velocidad y diagrama h-s

Etapa de expansión

� Canal de flujo en forma de tobera (disminución del área de flujo)

� Aceleración:

Absoluta (estator):

� Grandes deflexiones en contra de la dirección de giro de entrada (40°-100°)

Perfiles más gruesos, con � Absoluta (estator):

� Relativa (rotor):

� Disminución de la componente periférica:

12 CC >

23 WW >

23 yy CC <

Fuente: Presentaciones de la asignatura Fundamentos de los turbomáquinas térmicas de la universidad de Stuttgart

� Perfiles más gruesos, con mayor curvatura y con borde de ataque redondeado

α2

2Wr

2Cr

β2α3

3Wr

3Cr

β3

Ur

xCr

Etapa normal

� En el diseño de turbomáquinas axiales multietapas es común elegir triángulos de velocidad idénticos o muy similares en todas las etapas para disminuir costos de diseño y construcción. Para ello es necesario:� Mantener constante la velocidad axial

� Mantener constante el radio medio

Es cierto que la densidad y el área son constantes en la etapa?

� Mantener constante el radio medio

� Una etapa normal implica entonces:

constante31

31

===

medio

xx

r

cc

αα

Fuentes: Principles of turbomachinery in air-breathing engines – Baskharone, E.Fluid mechanics and thermodynamics of turbomachinery – Dixon, S.

etapa?

31 CCrr

=⇒

Etapa Normal

� Como C1 = C3 en todas las etapas, la Altura de los álabes de cada etapa debe aumentar aumentar gradualmente para compensar la disminución de la densidad y compensar la ecuación de continuidad

Triángulo de Velocidades

y+

x+

α1

1Cr

Si se considera una etapa normal, se puedensolapar los triángulos de entrada y salidadel rotor

α2

2Wr

2Cr

β2

Ur

α33Wr

3Crβ3

Ur

α2

2Wr

2Cr

β2α33W

r

3Cr

β3

Ur

xCr