Turbinas Radiales

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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