Turbinas RadialesDefinicin

Las turbinas radiales de fluido compresible son las turbomaquinas trmicas capaces de aprovechar la energa proveniente del fluido en forma de impulso rotatorio. En ella los gases fluyen radialmente en relacin al eje de la mquina. Son las mas utilizadas para demandas pequeas de potencia ya que conjugan una relativa sencillez constructiva con un dise robusto, de fcil mantenimiento y un costo menor que las axiales. Ademas de esto, las turbinas radiales pueden manejar niveles de flujo mas lentos que los que podra manejar una axial.

La turbina radial consta de varias partes que se muestran a continuacin, junto con los diagramas de velocidades nominales

En cuanto al proceso termodinmico que sucede en esta turbina, se puede mostrar en un diagrama de Mollier, el cul viene dado de esta manera para la turbina radial,

El trabajo especfico hecho por el rotor viene expresado de la siguiente manera,

Para el diseo nominal,

Por lo que,

La eficiencia total-esttica viene dada por,

De igual manera, la eficiencia total-total se puede obtener mediante esta relacin,

Otra relacin importante es la relacin del nmero de Mach con las velocidades y ngulos, donde se obtiene que,

Flujo a travs de una turbina radial

La turbina radial tiene muchos componentes similares al compresor centrfugo. Sin embargo, los nombres y funcin de las partes difieren. Existen dos tipos de turbinas radiales principalmente, a sabe: la cantilever y la de flujo mixto.La turbina radial tipo cantilever, comnmente posee alabes bidimensionales y usa ngulos de entrada no-radiales. En este caso no hay aceleracin del flujo a travs del rotor, el cual es el equivalente, a una turbina de accin, adems este tipo de turbina no es muy utilizada por su baja eficiencia.La turbina radial de flujo mixto como la que se ve en la figura (A) es el tipo ms usado actualmente. En la figura (A) se muestran las partes principales de la turbina radial de flujo mixto. El funcionamiento es el siguiente: El colector recibe el flujo de gases de la combustin, este colector comnmente tiene rea transversal decreciente, y en algunos diseos, este colector es usado como toberas directoras, este tipo de uso del colector es empleado comnmente en los turbocompresores donde la eficiencia no es muy importante.En el caso de que se use toberas directoras, estas son fijadas alrededor del rotor y su funcin es guiar el flujo hacia los alabes dndoles la direccin adecuada. El flujo es acelerado en su viaje a travs de los alabes del rotor, y en el caso de turbinas de baja reaccin la aceleracin total.TRANSFERENCIA DE ENERGIA EN TURBINAS RADIALESComo ya se indico anteriormente, el flujo en este tipo de turbina es en sentido radial, pudiendo ser su sentido hacia el eje (flujo centrpeto), o hacia la periferia (flujo centrfugo), como se puede ver en -las figuras (A) y (B).

Figura A, Diagrama de velocidades a la entrada y a la salida del rotor de una turbina de vapor radial centrpeta, de un escalonamiento.

Figura B. Diagrama de velocidades a la entrada y a la salida del rotor de una turbina de vapor radial centrifuga, de un escalonamiento3

Las turbinas de flujo centrpeto tienen mejor transferencia de energa, pues se aprovecha la accin de la presin de los gases de la combustin debido a la accin centrpeta, representada por el trmino:

U12-U222

Recordando el estudio de la transferencia bajo la forma de componentes energticos, cuya expresin es:

t=V12-V222+U12-U222+Vr22-Vr122

El trmino de accin centrpeta U12-U222, es positivo si U1>U2, es decir, si la velocidad perifrica a la entrada de los gases es mayor que la de salida, lo que requiere que r1 > r2, como se puede apreciar en la figura (A).

Las turbinas radiales centrpetas han presentado siempre problemas de desfogue, debido a la acumulacin del fluido en zonas de radio menor provenientes de zonas de radio mayor. Este problema se ha solucionado con xito en las turbinas hidrulicas, de las que es ejemplo la Francis, porque en un lquido no se produce el fenmeno de expansin. Pero en el caso de fluidos compresibles, como los gases de la combustin, se acenta gravemente el problema de desfogue a causa de la expansin que ste va teniendo, el cual exige mayores reas de paso. Se hace necesario aumentar las secciones de los ductos de paso a medida que el flujo se aproxima al eje, y esto slo puede hacerse en sentido axial, con lo que se complicaran mucho los diseos y la construccin. Esta es la causa de que este tipo centrpeto puro no tenga aceptacin.Partes:Principales Partes TurbinasLas turbinas de gas pueden dividirse en seis grandes partes principales:CompresorCmara de combustinTurbina de expansinCarcasa

Adems cuenta con una seria de sistemas auxiliares necesarios para su funcionamiento, como son la casa de filtros, cojinetes, sistema de lubricacin, recinto acstico, bancada, virador, etc.Compresor:Su funcin consiste en comprimir el aire de admisin, hasta la presin indicada para cada turbina, para introducirla en la cmara de combustin. Su diseo es principalmente axial y necesita un gran nmero de etapas, alrededor de 20 para una razn de compresin de 1:30, comparada con la turbina de expansin.Su funcionamiento consiste en empujar el aires a travs de cada etapa de alabes por un estrechamiento cada vez mayor, al trabajar en contra presin es un proceso que consume mucha energa, llegando a significar hasta el 60% de la energa producida por la turbina. Para disminuir la potencia necesara para este proceso, puede optarse por un diseo que enfre el aire en etapas intermedias, favoreciendo su compresin, aunque reduce la eficiencia de la turbina por la entrada ms fra del aire en la cmara de combustin.El control de la admisin de aire en el compresor puede realizarse segn dos posibilidades.Turbinas monoeje: El compresor siempre gira a la misma velocidad, que viene dada por el generador, y por lo tanto absorbe la misma cantidad de aire. El trabajo para comprimir ese aire es el mismo, tanto si trabajamos a carga mxima como si trabajamos a cargas ms bajas, y por lo tanto producimos menos potencia. En este caso las primeras etapas disean con geometra variable, dejando pasar ms o menos aire segn su posicin relativa, y por lo tanto consumiendo menos potencia.Turbinas multieje:En este caso como la velocidad de giro del compresor es independiente del generador, la velocidad de rotacin del compresor puede regularse para una admisin adecuada de aire para cada momento.

Cmara de combustin:A pesar de los distintos tipos de cmaras de combustin todas ellas siguen un diseo general similar.Cuanto mayor sea la temperatura de la combustin tanto mayor ser la potencia que podamos desarrollar en nuestra turbina, es por ello que el diseo de las cmaras de combustin esta enfocado a soportar temperaturas mximas, superiores a los 1000 C, mediante recubrimientos cermicos, pero a su vez evitar que el calor producido dae otras partes de la turbina que no est diseadas para soportar tan altas temperaturas.Estn diseadas mediante una doble cmara:Cmara interior:Se produce la mezcla del combustible, mediante los inyectores, y el comburente, que rodea y accede a sta mediante distribuidores desde la cmara exterior en 3 fases. En la primera se da la mezcla con el combustible y su combustin mediante una llama piloto, en el paso posterior se introduce una mayor cantidad de aire para asegurar la combustin completa, y por ltimo y antes de la salida de los gases a la turbina de expansin se introduce el resto del aire comprimido para refrigerar los gases de escape y que no daen las estructuras y equipos posteriores.Cmara exterior:Se ocupa de recoger el comburente, aire, proveniente del compresor, hacerlo circular por el exterior de la cmara interior para refrigerar los paneles cermicos, y a su vez distribuir la entrada de aire a la cmara interior de forma adecuada.

Turbina de expansin:Est diseada para aprovechar la velocidad de salida de los gases de combustin y convertir su energa cintica en energa mecnica rotacional. Todas sus etapas son por lo tanto de reaccin, y deben generar la suficiente energa para alimentar al compresor y la produccin de energa elctrica en el generador. Suele estar compuesta por 4 o 5 etapas, cada una de ellas integrada por una corona de alabes con un adecuado diseo aerodinmico, que son los encargados de hacer girar el rotor al que estn unidos solidariamente. Adems de estos, hay antes de cada etapa un conjunto de alabes fijos sujetos a la carcasa, y cuya misin es redireccionar el aire de salida de la cmara de combustin y de cada etapa en la direccin adecuada hasta la siguiente.Los alabes deben estar recubiertos por material cermico para soportar las altas temperaturas, adems, un flujo de aire refrigerador proveniente del compresor los atraviesa internamente, saliendo al exterior por pequeos orificios practicados a lo largo de toda su superficie.Carcasa:La carcasa protege y aisla el interior de la turbina pudindose dividir en 3 secciones longitudinales:Carcasa del compresor: Est compuesta por una nica capa para soporte de los alabes fijos y para conduccin del aire de refrigeracin a etapas posteriores de la turbina de gas.Carcasa de la cmara de combustin:Tiene mltiples capas, para proteccin trmica, mecnica y distribucin de aire para las 3 fases en que se introduce el aire en la combustin.Carcasa de la turbina de expansin:Cuenta al menos con 2 capas, una interna de sujecin de los alabes fijos y otra externa para la distribucin del aire de refrigeracin por el interior de los alabes. Debe tambin de proveer proteccin trmica frente al exterior.

Otros componentes de la turbina de gas:Casa de filtros:Se encarga del filtrado del aire de admisin que se introduce al compresor, se componen de 2 primeras fases de filtrado grosero, y una ltima con filtro de luz del orden de las 5 micras. En este proceso se puede aplicar diferentes tecnologas para aumentar la humedad y disminuir la temperatura del aire.Cojinetes:Pueden ser radiales o axiales, segn sujeten el desplazamiento axial o el provocado por el giro del eje. En ambos casos la zona de contacto esta revestida por un material especial antifriccin llamado material Babbit, el cual se encuentra su vez lubricado. En los cojinetes axiales el contacto se realiza en un disco anillado al eje y se montan con un sensor de desplazamiento longitudinal, y en los radiales el contacto es directamente sobre el eje y se utilizan 2 sensores de desplazamiento montados en angulo para detectar vibraciones.Sistema de lubricacin:Puede contener hasta 10.000 litros de aceite en grandes turbinas de generacin elctrica, su misin es tanto el refrigerar como mantener una pelcula de aceite entre los mecanismos en contacto. El sistema de lubricacin suele contar con una bomba mecnica unida al eje de rotacin, otra elctrica y otra de emergencia, aunque en grandes turbinas desaparece la turbina mecnica por una turbina elctrica extra. Entre sus componentes principales estn el sistema de filtros, el extractor de vahos inflamables, refrigerador, termostato, sensor de nivel, presostato, etc.Recinto acstico:Recubre todos los sistemas principales de la turbina, y su funcin es aislarla de las inclemencias del tiempo y a su vez aislar al exterior del ruido. Debe contar con un sistema contraincendios y de ventilacin.Bancada:Se construye en cemento para soportar la estructura de la turbina, con una cimentacin propia para que no se transmitan las vibraciones propias del funcionamiento de la turbina al resto de los equipos de la planta.Virador:El sistema virador consiste en un motor elctrico o hidrulico (normalmente el segundo) que hace girar lentamente la turbina cuando no esta en funcionamiento. Esto evita que el rotor se curve, debido a su propio peso o por expansin trmica, en parada. La velocidad de este sistema es muy baja (varios minutos para completar un giro completo de turbina), pero se vuelve esencial para asegurar la correcta rectitud del rotor. Si por alguna razn la turbina se detiene (avera del rotor, avera de la turbina, inspeccin interna con desmontaje) es necesario asegurar que, antes de arrancar, estar girando varias horas con el sistema virador.

Trabajo:

Son turbinas radioaxiales constituidas por una voluta (Fig. 2) de entrada, un estator y un rotor. Normalmente son de rodete nico con velocidades carentes de componente axial a la entrada y componente radial a la salida (radioaxial). Decir que la existencia de una pequea componente tangencial en contrarrotacin (componente de velocidad radial a la salida), puede aumentar el trabajo especfico con una leve reduccin del rendimiento, facilitando por otra parte, el empleo de difusores en el escape.Compresores centrfugos:

Loscompresores centrfugos, tambin llamadoscompresores radiales, son un tipo especial deturbomaquinariaque incluye bombas, ventiladores, o compresores.1Los modelos ms primitivos de este tipo de mquina2eran bombas y ventiladores. Lo que diferencia a estos de los compresores es que el fluido de trabajo puede ser considerado incompresible, permitiendo as un anlisis preciso a travs de laecuacin de Bernouilli. Por contra, cualquier compresor moderno se mueve a altas velocidades por lo que su anlisis debe asumirse un fluido compresible.Si se le quiere dar una definicin, se puede considerar que los compresores centrfugos producen un incremento de densidad mayor que un 5 por ciento. Adems, la velocidad relativa del fluido puede alcanzar unnmero de Mach0.3 si el fluido de trabajo es aire o nitrgeno. Por otro lado, los ventiladores incrementan mucho menos la densidad y operan a Mach mucho ms bajo.De forma ideal, un compresor dinmico aumenta la presin del fluido a base de comunicarle energa cintica-energa/velocidad con el rotor. Esta energa cintica se transforma en un incremento de presin esttica cuando el fluido pasa por un difusor.Ventajas:Los compresores centrfugos se usan industrialmente por varias razones: tienen menos componentes a friccin, tambin relativamente eficientes, y proporcionan un caudal mayor que loscompresores alternativos(o de desplazamiento positivo) de tamao similar. El mayor inconveniente es que no llegan a larelacin de compresintpica de los compresores alternativos, a menos que se encadenen varios en serie. Los ventiladores centrfugos son especialmente adecuados para aplicaciones donde se requiere un trabajo continuo, como el caso de sistemas de ventilacin, unidades de refrigeracin, y otras que requieran mover grandes volmenes de aire aumentando su presin mnimamente. Por otro lado, una serie de compresores alternativos tpicamente llegan a conseguir presiones de salida de 55 a 70 MPa. Un ejemplo de aplicacin de compresores centrfugos es la reinyeccin de gas natural en los pozos de petrleo para su extraccin.Muchos compresores centrfugos se usan tambin en pequeasturbinas de gascomo APUs (generadores auxiliares) y motores turborreactores de pequeas aeronaves (turboejes de helicpteros y algunos turbohlices). Una razn significativa de ello es que con la tecnologa actual, uncompresor axialque opere con estos volmenes de aire sera menos eficiente por las prdidas en las tolerancias del rotor y el esttor. Hay muy pocos compresores centrfugos de un slo escaln capaces de entregar una relacin de compresin de 10 a 1, principalmente por las cargas mecnicas que soportan y que limitan su seguridad, fiabilidad y vida del producto.En el caso especfico de los motores para aeronaves mencionados anteriormente, una gran ventaja es la simplicidad de los compresores centrfugos y su precio relativamente bajo. Requiere menos escalones que un compresor axial para conseguir el mismo incremento de presin, ya que el cambio de radio desde la entrada al rotor al borde de salida es tan acusado que la energa del aire aumenta mucho en un corto espacio.Partes:Los compresores centrfugos son populares en todas las reas de la industria porque tienen pocas partes que se desgastan, y son relativamente eficientes con la energa, adems de ofrecer un flujo de aire mayor que un compresor centrfugo de un tamao similar. Aunque su principio de funcionamiento es complejo, sonsencillosde operar y la mayora de las partes de un compresor centrfugo se usan para tratar al salida de aire presurizado o para proveer de fluido refrigerante y aceite al compresor en s mismo.Carcazasta es la cubierta en forma de espiral que rodea a las hojas del impulsor del compresor, y constituye la mayor parte de su masa. La carcasa tiene un orificio circular en el frente a travs del cual pasa el aire de entrada, una zona interior en la cual el aire es comprimido, y un puerto de salida por el cual escapa el aire presurizado.Impulsorste compuesto parecido a unventiladorgira enel interiorde la carcasa del compresor. Cuando se aplica potencia en su eje, el impulsor rota (en general se lo conecta a un motor en la mayora de los casos o a la salida de una turbina en el caso de los turbocompresores), sus hojas curvas empujan el aire y lo hacen girar dentro de la carcasa. El impulsor puede estar hecho de hierro, acero, bronce, aluminio o plstico, dependiendo de la aplicacin, y la mayora son cilndricos. Las aplicaciones de poco volumen usan impulsores tipo plato con una serie de hojas curvas unidas al plato por detrs.AlimentacinLos compresores pueden ser alimentados de distintas maneras, pero la mayora funcionan a travs de un motor elctrico. Algunos son alimentados con un motor de combustin interna, y otros con una correspondiente turbina conectada al impulsor mediante un eje. Las aplicaciones en las que se usa una turbina como fuente de potencia incluyen los turbocompresores, los motores de aeroplanos y las centrales elctricas de vapor.Vlvulas de derivacinLa mayora de los compresores tienen algn tipo de vlvula de derivacin incorporada. En los compresores alimentados con un motor, estas vlvulas ventilan aire para prevenir una sobre presin del sistema. Las vlvulas pueden tener actuadores elctricos, pero la mayora son controladas mediante la presin de un resorte. Los turbocompresores a menudo tienen una ventilacin incorporada que permite la salida de gases para derivar el escape de la turbina, controlando su velocidad y mejorando su salida.Separador de aguaEstos dispositivos varan en su diseo, pero su propsito principal es quitar la humedad del aire comprimido. El agua tiende a condensar en el sistema como resultado de la compresin, lo cual significa esencialmente que el vapor en aerosol se comprime nuevamente a su estado lquido. El agua lquida debe ser removida de un sistema compresor de aire para prevenir la corrosin, las inconsistencias en la presin y el congelamiento de las herramientas cuando se libera la presin. Los separadores de agua funcionan a la inversa del radiador de un auto, proveyendo de un lugar fro para que las gotas de agua condensen antes de que puedan llegar al flujo de aire. Los separadores tambin pueden colocarse en lnea entre el compresor y el motor de alimentacin.Compresores CentrfugosDefinicin

El compresor centrfugo es una turbomquina que consiste en un rotor que gira dentro de una carcasa provista de aberturas para el ingreso y egreso del fludo. El rotor es el elemento que convierte la energa mecnica del eje en cantidad de movimiento y por tanto energa cintica del fludo. En la carcasa se encuentra incorporado el elemento que convierte la EC en energa potencial de presin (el difusor) completando as la escala de conversin de energa.

El difusor puede ser del tipo de paletas sustancialmente radiales, o de caracol.

En la figura de abajo se muestran las partes de un compresor centrfugo con sus respectivos tringulos de velocidades,

Partes de un compresor centrfugo y velocidades (Dixon)

En cuanto al proceso termodinmico que realiza el compresor centrfugo, se puede representar con el diagrama de Mollier,

Donde el tramo 0-1 representa el paso del flujo por la carcasa, el tramo 1-2 el paso del flujo por el impulsor y el tramo 2-3 el paso del flujo por el difusor del compresor.

En la carcasa, la entalpa de estancamiento permanece constante y el fluido acelera de c0 a c1, donde se tiene que,

En cuanto al tramo del impulsor, se tiene un cambio de entalpa que viene representado de esta manera,

Para saber el desempeo de compresor, existen unas ecuaciones que nos dicen que tanto puede trabajar.

Para el trabajo especfico se tiene que,

La eficiencia del compresor se define de esta manera

Donde,

Para un diseo ptimo a la entrada del impulsor se utilizan estas relaciones,

A su vez, se debe considerar el factor de deslizamiento para calcular las velocidades, el cul viene expresada de esta manera,

Su efecto en el tringulo de velocidades viene dado en la siguiente figura,

www.academia.edu/7014039/BOMBAS_CENTRFUGAS

es.wikipedia.org/wiki/Compresor_centrfugobooks.google.co.ve/books?isbn=8428326606http://turbomaquinastermicasct3412.blogspot.com/p/compresores-centrifugos.html" http://turbomaquinastermicasct3412.blogspot.com/p/compresores-centrifugos.htmlhttp://turbomaquinastermicasct3412.blogspot.com/p/compresores-centrifugos.html" http://turbomaquinastermicasct3412.blogspot.com/p/compresores-centrifugos.htmlhttp://www.academia.edu/8521466/Codigo_Triangulo_de_Velocidades_Compresor_Centrifugo" http://www.academia.edu/8521466/Codigo_Triangulo_de_Velocidades_Compresor_Centrifugohttp://www.ehowenespanol.com/partes-compresor-centrifugo-lista_149262/" http://www.ehowenespanol.com/partes-compresor-centrifugo-lista_149262/http://www.estrucplan.com.ar/Producciones/entrega.asp?IdEntrega=2834" http://www.estrucplan.com.ar/Producciones/entrega.asp?IdEntrega=2834http://www.atmosferis.com/turbinas-radiales-centripetas/" http://www.atmosferis.com/turbinas-radiales-centripetas/http://www.turbinasdegas.com/index.php/principales-partes-turbinas" http://www.turbinasdegas.com/index.php/principales-partes-turbinashttp://turbomaquinastermicasct3412.blogspot.com/p/turbinas-radiales.html" http://turbomaquinastermicasct3412.blogspot.com/p/turbinas-radiales.htmlhttp://auto.idoneos.com/notas_tecnicas/tipos_de_motor/" http://auto.idoneos.com/notas_tecnicas/tipos_de_motor/