Curso Turbomáquinas I 2011-II SGCH (semana 1 y 2)5.pdf

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA

TURBOMAQUINAS I

Dr. Salome Gonzles Chvez

UNI-FIM 2013

TURBOMAQUINAS HIDRAULICAS

UNI-FIM Dr. Salome Gonzles Chvez TURBOMAQUINAS HIDRAULICAS: TURBOMAQUINAS I

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA

SILABO P.A. 2013-I

1. INFORMACION GENERAL

Nombre del curso : TURBOMAQUINAS I Cdigo del curso : MN232 Especialidad : M3, M4 Condicin : OBLIGATORIO Ciclo de estudios : 7 Y 8 Pre-requisitos : MN217 Nmero de crditos : 04 Total de horas semestrales: 84 Total de horas por semana: 06

Teora : 04 Prctica : 02

Duracin : 17 SEMANAS Sistema de evaluacin : F Subsistema de evaluacin: D Profesor de teora y prctica: DR. SALOME GONZALES CHAVEZ

2. SUMILLA Introduccin. Cinemtica del flujo en las turbomquinas. Criterios de semejanza en turbomquinas. Transferencia de energa en las turbomquinas. Rotores de flujo radial. Rotores de flujo axial. Elementos estticos. Degradacin de energa en turbomquinas. Curvas caractersticas de las turbomquinas. Cavitacin en turbomquinas.

3. OBJETIVO El estudiante al finalizar el curso debe conocer las bases conceptuales y tecnolgicas de la teora generalizada de las turbomquinas, eficiencias y curvas caractersticas de las turbomquinas y, el fenmeno de cavitacin en bombas y turbinas hidrulicas.

4. PROGRAMA

SEMANA N1. INTRODUCCION.- Generalidades. Conformacin y elementos de la turbomquinas Clasificacin de las turbomquinas. Principio de funcionamiento


SEMANA N2. CINEMATICA DEL FLUJO EN LAS TURBOMAQUINAS. Nomenclatura y geometra de los elementos del rotor y estator. Diagrama de velocidades en sistemas de alabes radiales y axiales.

SEMANA N3. CINEMATICA DEL FLUJO EN LAS TURBOMAQUINAS. Anlisis dimensional y parmetros caractersticos en turbomquinas. Nmeros especficos de revoluciones Nq y Ns.

SEMANA N4. TRANSFERENCIA DE ENERGIA EN LAS TURBOMAQUINAS Anlisis aerotermodinmico del fluido de una etapa de una turbomquina. Ecuacin de Euler de las turbomquinas.

SEMANA N5. TRANSFERENCIA DE ENERGIA EN LAS TURBOMAQUINAS. Ecuacin de flujo de una turbomquina. Altura esttica y grado de reaccin.

SEMANA N6. ROTORES DE FLUJO RADIAL. Grado de Reaccin y disposicin de sistemas de labes radiales. Influencia del nmero finito de labes, efecto de resbalamiento. Nmero ptimo de labes

SEMANA N7. ROTORES DE FLUJO RADIAL. Efecto del espesor de labe en la cinemtica y transferencia de energa en el rotor. Clculo y diseo de rotores radiales. Ejemplos de caso en bombas, ventiladores y turbinas hidrulicas

SEMANA N8. EXAMEN PARCIAL

SEMANA N9. ROTORES DE FLUJO AXIAL Ecuacin del equilibrio dinmico del flujo axial. Grado de Reaccin y disposicin de sistemas de labes axiales.

SEMANA N10. ROTORES DE FLUJO AXIAL Aplicacin de la teora del ala de avin al estudio, clculo y diseo de rotores axiales

SEMANA N11. ELEMENTOS ESTATICOS. Difusores. Toberas. Carcasas. Otros.


SEMANA N12. DEGRADACION DE LA ENERGIA EN TURBOMAQUINAS Prdidas internas y externas, identificacin y cuantificacin. Balance energtico en bombas y turbinas. Eficiencias.

SEMANA N13. CURVAS CARACTERISTICAS DE LAS TURBOMAQUINAS Prediccin analtica de la curva altura - caudal en bombas y ventiladores. Ensayo de bombas y ventiladores, determinacin de sus curvas caractersticas. Diagramas topogrficos.

SEMANA N14. CURVAS CARACTERISTICAS DE LAS TURBOMAQUINAS Punto de operacin de una instalacin de bombeo. Mtodos de regulacin de bombas. Bombas en serie y en paralelo. Ensayo de turbinas hidrulicas y determinacin de sus curvas caractersticas. Velocidad de embalamiento. Golpe de Ariete

SEMANA N15. CAVITACION EN TURBOMAQUINAS HIDRAULICAS. Formulacin del fenmeno de cavitacin y efectos en bombas y turbinas. Altura Neta Positiva de Succin (NPSH) en bombas y turbinas. Consideraciones de diseo y seleccin.

SEMANA N16. EXAMEN FINAL

SEMANA N17. EXAMEN SUSTITUTORIO.

5. ESTRATEGIAS DIDACTICAS

Utilizando el mtodo enseanza-aprendizaje, el profesor ha de transmitir al alumno en cada clase: la motivacin del tema en estudio, la informacin terica y de experiencia del tema a tratar y, la orientacin al alumno para realizar su aprendizaje de cada punto tratado.

La exposicin didctica del tema a tratar, su importancia

La formulacin terica, con ejemplos, discusin e interpretacin del caso

Incentivo para el logro de clase dictada-clase aprendida

6. MATERIALES EDUCATIVOS Y OTROS RECURSOS DIDACTICOS.

6.1 Medios o Procedimientos Didcticos


- Exposicin de bases tericas en aula de clases, presentacin de datos, estadsticas y discusiones tcnicas en torno a ellas

- Desarrollo de casos aplicativos, propuestos como trabajo de aplicacin - Visita a Plantas Hidroelctricas de Lima y Laboratorio de Energa de la FIM - Presentacin y sustentacin de casos aplicativos asimilados por el alumno.

6.2 Materiales del Proceso de Enseanza - Aprendizaje - Separatas del curso - Exposicin del profesor en pizarra - Uso de presentaciones en PowerPoint

7. EVALUACIN

a. Sistema de Evaluacin: F

Examen parcial (EP): Peso 1 Examen final (EF): Peso 2 Promedio de monografas (Mo): Peso 1

b. Nota Final (NF):

4

Mo2EFEPNF

8. BIBLIOGRAFIA

MATAIX, C. Mecnica de Fluidos y Mquinas Hidrulicas, Ed. Alfaomega, Madrid, 2000 PFLEIDERER, C. Bombas Centrifugas y Turbocompresores, Ed. Labor, Barcelona

1960 POLO ENCINAS, M. Turbomquinas Hidrulicas, Ed. Limusa, Mxico, 1984 VIEJO ZUBICARAY, M. Bombas, Teora, Diseo y aplicaciones, Ed. Limusa Mxico,

1977 JARA, W. Maquinas Hidrulicas. Fondo Editorial INIFIM, UNI, Lima 1998 HICKS, T. Bombas su seleccin y aplicacin, Ed. CECSA, Mxico 1977 CHERKASSKI, V.M. Bombas Ventiladores Compresores, Ed. MIR, Mosc 1986 F.M. GOLDEN, L. BATRES V.G. TERRONES M. Termofluidos, Turbomquinas y

Maquinas Trmicas, Ed. CECSA, Mxico, 1991. FRANZINI, J. Mecnica de Fluidos con aplicaciones en ingeniera, Ed. MC GRAW HILL.

Madrid 1999 GONZALES, S. Turbomquinas Hidrulicas: Turbomquinas I, Texto referencia de

Clase, 2011

Lima, marzo 2013


PROLOGO El presente documento constituye la estructura bsica del dictado del curso de Turbomquinas I en la Universidad Nacional de Ingeniera-Per, UNI-FIM, para los estudiantes de Ingeniera Mecnica, Mecnica Elctrica, Ingeniera Naval e Ingeniera Mecatrnica. La estructura bsica de este material tiene como finalidad mostrar al alumno, los fundamentos tericos bsicos de las Turbomquinas Hidrulicas, que han de servir como pautas para realizar el dimensionado, clculo, diseo, seleccin y operacin de bombas, ventiladores y turbinas hidrulicas, segn el tipo de requerimiento. Por supuesto que este documento conforma una parte complementaria, dentro de la transferencia del conocimiento al estudiante de Turbomquinas I, y alcanzar su objetivo slo cuando se complete con las actividades realizadas por el profesor en el aula; esto es: ampliacin y detalle de conceptos tericos, ejemplos de caso, resolucin de problemas, transmisin de experiencias ingenieriles e investigacin en los temas y, actividades de campo. En el aula, la estrategia didctica se ha de basar en el mtodo enseanza-aprendizaje, en el que el profesor ha de transmitir al alumno en cada clase: la motivacin del tema en estudio, la informacin terica, los clculos y la experiencia profesional del tema a tratar. Asimismo el alumno ha de actuar de manera dinmica, clarificando sus interrogantes y participando en la discusin del caso tratado. Si bien bajo normativa de la universidad peruana, la presencia del alumno en clase no tiene carcter obligatorio y menos impositivo; sin embargo a mi modesto parecer, el aula y la pizarra son elementos vitales insustituibles, para la sntesis en la asimilacin del conocimiento, especialmente en lo que a ingeniera se refiere.

Dr. Salome Gonzles Chvez Profesor del Curso Turbomquinas I

UNI-FIM


1 INTRODUCCION

1.1. GENERALIDADES El Per es un pas tradicional en el uso de la tecnologa de las turbomquinas, las mismas que sirven en diversas aplicaciones, por ejemplo para:

Generacin de electricidad mediante centrales hidroelctricas, en donde principalmente se utilizan las turbinas hidrulicas Pelton y Francis

Generacin de electricidad mediante centrales termoelctricas, en donde principalmente se utilizan las turbinas a gas y turbinas a vapor

Produccin de potencia mecnica para generacin elctrica y fuerza motriz en la industria azucarera, utilizando principalmente turbinas a vapor

Propulsin de aviones, en donde se utilizan turbocompresores axiales y turbinas a gas

Transporte de petrleo a grandes distancias (Oleoducto Nor peruano), utilizando grandes sistemas de rebombeo, con bombas hidrulicas centrfugas

Transporte de pescado desde las bolicheras hasta las plantas de produccin de harina de pescado, utilizando bombas hidrulicas para flujo bifsico

Impulsin de agua mediante electrobombas centrfugas, indispensable prcticamente en todo proceso industrial, ya sea extractivo, manufacturero o ambos

Impulsin o extraccin de aire y otros fluidos gaseosos, utilizando ventiladores y sopladores, centrfugos o axiales, prcticamente en todo proceso industrial

El transporte neumtico de slidos (como cemento, granos, etc. En mezcla con aire), utilizando sopladores

El curso de Turbomquinas I comprende el estudio de las TURBOMAQUINAS HIDRAULICAS o TURBOMAQUINAS FRIAS, es decir:

Las turbinas hidrulicas

Las bombas hidrulicas

Los ventiladores

Los sopladores

1.2. CONFORMACION Y ELEMENTOS DE LAS TURBOMAQUINAS A continuacin se presentan diversos tipos de turbomquinas utilizados en la generacin de potencia elctrica, la propulsin de aviones, el bombeo de agua y, de uso instruccional:


Esquema de una planta hidroelctrica

Turbina Pelton


Turbina Francis

Turbina Kaplan


Aerogenerador de 500 W

Turbocompresor a gas con compresor centrfugo y turbina axial (ejemplo el existente en la Turbina

a gas instruccional del Laboratorio de Energa de la FIM-UNI


Bomba hidrulica centrfuga

En trminos generales se puede decir que una turbomquina, cualquiera sea su caracterstica, est conformada por los siguientes elementos bsicos

EL ROTOR. Llamado tambin rodete o impulsor, es el corazn de la turbomquina y conforma el elemento mvil

EL ESTATOR. Conforma el elemento fijo de la turbomquina y cumple la funcin auxiliar de ordenar y orientar el flujo hacia o desde el rotor de la turbomquina

LA CARCAZA. Llamada tambin voluta o envolvente, dependiendo del tipo de turbomquina, cumple la funcin de coleccin y confinamiento del flujo.

1.3. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UNA TURBOMAQUINA Una turbomquina es un dispositivo rotodinmico mecnico que transforma la energa (de energa de fluido a energa mecnica o viceversa) en su rotor, en donde el flujo continuo de un fluido cambia de momentum angular (momento de cantidad de movimiento) entre la entrada y salida de dicho rotor. O tambin se puede decir que; una turbomquina es un dispositivo mecnico cuyo componente principal es un rotor a travs del cual pasa un fluido de forma continua cambiando su momento de cantidad de movimiento, siendo esto aprovechado como una entrega de energa del fluido a la mquina (turbomquinas motrices o motoras, o activas) o de la mquina al fluido (turbomquinas movidas o pasivas).

Turbomquina motriz

ENERGIA DE UN FLUIDO

ROTOR

ENERGIA MECANICA


Turbomquina movida

1.4. CLASIFICACION DE LAS TURBOMAQUINAS

CLASIFICACION DE LAS MAQUINAS MECANICAS

Bajo un plano general una mquina mecnica se puede clasificar de acuerdo su principio de funcionamiento en:

1) Mquinas mecnicas rotodinmicas. Son las turbomquinas propiamente dichas, materia del curso

2) Mquinas reciprocantes o de pistn. Transfieren la energa en un dispositivo cilindro pistn, bien de energa de fluido a energa mecnica o de energa mecnica a energa de fluido. Su caracterstica particular frente a las turbomquinas es que su transformacin lo hacen bajo un fluido intermitente o discontinuo. Entre estas maquinas se tiene a los motores de combustin interna MCI, los compresores de aire de pistn o reciprocantes, las bombas hidrulicas de pistn aspirante-impelente, los motores de vapor de pistn (en actual extincin)

Motor MCI

3) Mquinas mecnicas rotativas. Conforman aquellas maquinas que transfieren la energa en forma intermitente mediante dispositivos rotativos. Se tiene como maquinas motrices al denominado motor de combustin de paletas, el motor Wankel, y como maquinas movidas las bombas hidrulicas utilizadas para altas presiones y bajos caudales (por ejemplo las bombas de lbulos, engranajes, etc.)

ENERGIA MECANICA

ROTOR

ENERGIA DE UN FLUIDO


Motor rotativo Wankel

CARACTERISTICAS COMPARATIVAS DE LAS TURBOMAQUINAS FRENTE A OTRAS

MAQUINAS MECANICAS:

En cuanto al flujo. Las turbomquinas son de flujo continuo, mientras las otras maquinas son de flujo discontinuo, lo cual se refleja como una ventaja de las turbomquinas en lo que se refiere a la regulacin del caudal.

En cuanto a presin. Las turbomquinas comparativamente tienen limitaciones en los niveles de presin del flujo, sin embargo su ventaja es de trabajar con grandes niveles de flujo

En cuanto a mantenimiento. El costo de operacin y mantenimiento de una turbomquina es menor al de una mquina rotativa o de pistn, ello considerando a igualdad de capacidad de requerimiento

CLASIFICACION DE LAS TURBOMAQUINAS Se puede clasificar a las Turbomquinas bajo diversas formas, por ejemplo a continuacin se realiza el siguiente ordenamiento:

1) De acuerdo a la temperatura e incompresibilidad del flujo 2) De acuerdo a la transferencia de la energa 3) De acuerdo a la forma del rodete y direccin del flujo

1) DE ACUERDO A LA TEMPERATURA E INCOMPRESIBILIDAD DEL FLUJO Se clasifican en:

Turbomquinas hidrulicas o fras. El flujo de fluido de trabajo, a su paso por el rodete, se comporta como incompresible (lquidos) o cuasi-incompresibles (aire). Cuando se trata de lquidos como el agua estamos en el campo de las turbinas hidrulicas (Pelton, Francis, Kaplan, de Bulbo, Michell-Banki, Turgo) y, las bombas hidrulicas radiales y axiales. Cuando se trata de fluidos cuasi-incompresibles, nos encontramos en el campo de los ventiladores y sopladores, radiales o axiales


Turbomquinas trmicas o calientes. El flujo de fluido de trabajo, a su paso por el rodete, se comporta como compresible, por ende incrementando su temperatura superior a la del ambiente. Este es el campo de las turbinas a gas, turbinas a vapor, compresores de aire

2) DE ACUERDO A LA TRANSFERENCIA DE LA ENERGIA Se clasifican en:

Turbomquinas motrices o activas. Son aquellas que reciben la energa del fluido y la transforman en energa de movimiento de un rotor y de ste a un eje; esto es, generan potencia mecnica en su eje. Corresponde al campo de las turbinas de todo tipo, rotodinmico

Turbomquinas movidas o pasivas. Reciben la energa por el movimiento a travs de un eje, que a su vez mueve un rotor y entregan al fluido; es decir reciben energa mecnica para convertirla en energa de fluido. Se trata de bombas, ventiladores, sopladores y compresores

3) DE ACUERDO A LA FORMA DEL ROTOR Y DIRECCION DEL FLUJO Se clasifican en:

Turbomquinas de rotor radial o flujo radial. Esto es, cuando la transferencia de energa del fluido a la turbomquina lo realiza de forma perpendicular a su eje. Se tiene el campo de las turbinas hidrulicas Francis, las turbinas a gas centrfugas, bombas centrfugas, compresores de aire centrfugos, etc.

Turbomquinas de rotor axial o flujo axial. Cuando la transferencia de energa del fluido a la turbomquina lo realiza de forma paralela a su eje; ac se tienen a las turbinas hidrulicas Kaplan, de Bulbo, las turbinas axiales trmicas a gas y a vapor, los compresores axiales de aire, las bombas de agua axiales, los ventiladores de hlice, etc.

Turbomquinas de flujo tangencial. Cuando el flujo de fluido ingresa de forma tangencial al rotor; este es un caso particular propio de la turbina Pelton

Turbomquinas de flujo transversal. Cuando el flujo de fluido atraviesa al rotor en el mismo plano de giro de la turbina, generando dos entradas y dos salidas. Es el caso propio de la turbina Michell-Banki

Turbomquinas de flujo cruzado. Cuando el flujo de fluido es inyectado al rotor bajo un determinado ngulo respecto al plano del rotor. Es el caso tpico de la turbina Turgo

1.5. SEMINARIO 1

Repaso

Proyeccin multimedia de turbomquinas

Visita al Laboratorio de Energa de la FIM-UNI


CARACTERISTICAS TECNICAS DE LA CENTRAL HIDROELECTRICA DEL MANTARO

Central Hidroelctrica Santiago Antnez de Mayolo, C.H. Mantaro


2 CINEMATICA DEL FLUJO EN LAS TURBOMAQUINAS

2.1. GEOMETRIA Y NOMENCLATURA DE LOS ELEMENTOS DEL ROTOR Y

ESTATOR Para el conocimiento de la cinemtica y dinmica de las turbomquinas hidrulicas, se ha de utilizar vistas reales y de corte de la geometra de sus rotores y componentes, as como vistas de corte-seccin

GEOMETRIA Para una mejor visin introductoria de las caractersticas de las turbomquinas hidrulicas, a continuacin se muestran figuras de turbinas hidrulicas, las mismas que formarn parte del Laboratorio de Microhidrulica y Aerogeneracin de nuestra Facultad de Ingeniera Mecnica- UNI.

Rotor de una turbina hidrulica Turgo de un kW

Rotor de una turbina hidrulica Michell- Banki de un kW


Rotor de una turbina hidrulica Pelton de un kW

Vista virtual ex-ante del Tnel de Viento para pruebas e investigacin de micro-aerogeneradores

Vista real ex-post del Tnel de Viento para pruebas e investigacin de micro-aerogeneradores


Geometras en corte de rotores de turbinas hidrulicas: axial, radial y tangencial

Turbina Pelton de un chorro, vista de frente y de perfil

Vista en corte de una turbina Pelton de cuatro chorros


Turbina Michell-Banki, vista de frente y de perfil

Vista en corte de una turbina Francis de eje vertical

Vista en corte de una turbina axial Kaplan de eje vertical


NOMENCLATURA La nomenclatura y simbologa ser comn a la utilizada en las bibliografas y catlogos existentes en el mercado nacional e internacional. A continuacin se presenta la nomenclatura a utilizar en el estudio de la cinemtica y dinmica de flujo en las turbomquinas hidrulicas

c: velocidad absoluta del fluido u: velocidad tangencial del rotor w: velocidad relativa del fluido : ngulo absoluto : ngulo relativo N: Velocidad de giro del rotor D: Dimetro del rotor cm: Velocidad meridiana

Subndice 1:

- entrada al rotor cuando se trata de una bomba radial - salida del rotor cuando se trata de una turbina radial

Subndice 2: - salida del rotor cuando se trata de una bomba radial - entrada al rotor cuando se trata de una turbina radial

2.2. DIAGRAMA DE VELOCIDADES EN SISTEMAS DE ALABES RADIALES Y

AXIALES

TRIANGULO DE VELOCIDADES EN UN ROTOR RADIAL

Esquema del rotor de una turbomquina radial


Tringulo de velocidades en el corte de un rotor radial en el punto 2

Tringulo vectorial de velocidades

Bomba Turbina

Esquema elemental de un rotor de flujo radial

Cm

u

c = u + w

u

c w

alabe N

1

2


Tringulos de velocidades en el corte de un rotor radial en los puntos 1 y 2

Tringulo vectorial de velocidades en los puntos 1 y 2

TRIANGULO DE VELOCIDADES EN UN ROTOR AXIAL

Ubicacin de los puntos 1 y 2 a un determinado radio de un rotor axial

u

cw

alabeN

1

cw1 1

1

2

2

22

2

u u

w wc c

1

11

2

22

211 2

21

alabes rotor

cubo

estator

rD

d

m


Tringulo vectorial de velocidades en 1 y 2 para un radio de un rotor axial

TRIANGULO DE VELOCIDADES EN UNA TURBINA TANGENCIAL En la cuchara de la turbina Pelton, se tiene:

Corte de la cuchara y tringulo vectorial de velocidades en una turbina tangencial Pelton

Tringulo vectorial de velocidades en una turbina tangencial Pelton

wwc c

u = u

c c1 2

1 2

1 2

m1 m2

2 1

vistade perfil

vistafrontal

w

c

u

u = u

cw1 1

1 2

2 2

2

2

oc

wcc

u

1

u

1

1

2

2

2w2c

= u2

1 2

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