TURBOMQUINAS

GENERALIDADES

CLASIFICACIN

FUNDAMENTOS

Prof. Nicolas Diestra Snchez

GENERALIDADES Y CLASIFICACIN

Turbomquinas

Turbomquina es una mquina de fluido en el que el

flujo fluye continuamente y opera transformaciones

como:

mecnicacinticapresin EEE

Vg: Turbinas Hidrulicas, Turbinas a Gas, Bombas

Centrfugas

Turbomquinas

Las turbomquinas pueden ser:

Motoras - transforman energia de tipo

mecnicacinticapresin EEE

Vg: Turbinas Hidrulicas, Turbinas a Vapor, Turbinas a Gas

Geradoras- transforman energa de tipo

presincinticamecnica EEE

Vg: Compresor de Flujo, Bombas de Flujo (Centrfugas, axiales)

CLASIFICACIN DE MQUINAS DE FLUIDO

Turbomquinas Motoras

TURBINAS HIDRULICAS

TURBINAS ELICAS

Turbomquinas Generadoras

Bomba Centrfuga Ventilador

Las Mquinas de fludo pueden ser:

Trmicas: el fluido es comprensible

Cte

Hidrulicas: el fluido es incomprensible

Cte

En este curso estudiaremos las mquinas de fluido

hidrulicas: turbinas y bombas

Turbomquinas Motoras

Turbinas Pelton:

Mquinas de accin, flujo tangencial. Operan a

altas cadas y caudales bajos.

Puede ser de 1, 2, 4, 5 y 6 chorros. El flujo de

control se realiza en la aguja e inyector.

Q

0,5Q

0,5Q

Inyector y

Aguja

Varilla de

Aguja

Regulador de

Velocidad

Rotor de

cucharas

Defletor de jet

Tampa

Canal de Fuga NJ

Freno

de jet

Turbina Pelton

de Dos

Chorros

Q H n [Pe]

[m3/s] [m] [rpm] [kW]

0,286 599 1200 1345

0,286 599 1200 1345

0,860 599 1200 4043

CENTRAL HIDROELTRICA SAN BERNARDO

Piranguu MG, Empresa - CEMIG

Grupo Generador 1 Turbina do Grupo Generador 3

CENTRAL HIDROELTRICA SAN BERNARDO

Turbinas com 1 inyector

Turbomquinas Motoras

Turbinas Francis:

Mquinas de reaccin, flujo radial (lento y normal)

y mixto (rpido). Opera con caudales medios y

cadas medias.

El flujo de control se lleva a cabo en el distribuidor

o el sistema de palas en movimiento.

Partes

principales de

Turbina Francis

TURBINA FRANCIS DUPLA

Francis Caja Abierta

Grade

Sistema de

movimiento de

aspas (distribuidor)

Rotor

Tubo de

succin

Generador

TURBINAS FRANCIS (JAMES BICHENO FRANCIS 1847)

CENTRAL HIDROELTRICA LUZ DIAS Ciudad: Itajub MG, Empresa: EFEI (CEMIG)

Q H n [Pe]

[m3/s] [m] [rpm] [kW]

3,75 28 720 900

3,75 28 720 900

3,75 28 720 900

Turbomquinas Motoras

Turbinas axiales:

Mquinas de reaccin, de flujo axial. Opera a

gran flujo y cadas bajas.

El control de flujo se realiza: turbina de hlice -

paletas de gua (de ajuste sencillo) y turbina

Kaplan - las hojas de distribucin y las palas del

rotor.

TURBINAS AXIALES (1908)

Rotor Hlice plas fijas Rotor Kaplan palas mviles (Victor Kaplan 1912)

CENTRAL HIDROELTRICA JOS TOGNI

Poos de Caldas MG - DME

Q H n [Pe]

[m3/s] [m] [rpm] [kW]

7 12 450 556

Turbina Tubular S

Palas del distribuidor

Palas mviles del rotor

Generador

Canal de fuga

Grade

Turbomquinas Generadoras

Bombas de flujo:

Son mquinas en las que el movimiento del lquido

se produce por las fuerzas que se desarrollan en la

masa lquida, como resultado de la rotacin del

rotor con un nmero de alabes especiales.

Centrfuga radial operara en pequeos flujos y grandes alturas

Mixta operara a caudales medias y alturas medias.

Axial opera a gran flujo y bajas alturas.

De acuerdo con el modo de entrada de fluido

en el rotor:

Simple succin - entrada

en un lado del rotor

De succin Dual - entrada

en ambos lados del rotor

FUNDAMENTOS PARA EL ESTUDIO

DE LAS TURBOMQUINAS

La ecuacin de energa y la presencia de

una Turbomquina:

Si ponemos una mquina entre puntos

(1) y (2), escribir la relacin como:

Flujos: Flujo en peso

Flujo en masa

Flujo en volumen

Potencia de una Turbomquina:

La potencia de una mquina

est definida como:

como:

Rendimiento de una Turbomquina:

El rendimiento de una mquina se

define por su naturaleza.

Si la mquina es una Bomba:

Si la mquina es una Turbina:

La ecuacin de Bernoulli, cuando una

mquina entre los puntos (1) y (2) y el

desplazamiento de fluido se da de (1)

a la forma (2) puede ser reescrita,

Considerando que existe una Hp12

cada de presin (Energa perdida

por unidad de peso):

H1+HM=H2+HP12

Potencia de bomba y rendimiento Potencia de Turbina y rendimiento

Sustituyendo {2} {3} est

dada por la velocidad por:

Para fluidos incomprensibles

Ecuacin de Bernoulli

El flujo ser:

Ecuacin de continuidad

Ecuacin de energa para fluido real

La friccin interna se considerar en flujo de fluido. Son mantenidas las hiptesis de

rgimen permanente, propiedades uniformes en la seccin y sin intercambio de

calor inducido. Esto ltimo significa que no hay intercambio de calor causado

deliberadamente; sin embargo, cuando se considera fricciones en el flujo de fluido,

deben ser imaginados habr una prdida de calor al medio ambiente causados

por la friccin propia.

Como se ver ms adelante, la construccin de la ecuacin de energa se puede

realizar sin hablar explcitamente de esta prdida de calor.

De la ecuacin de Bernoulli se sabe que si el fluido ser perfecto. H1 = H2

Si, sin embargo, hay friccin para transportar fluido entre secciones (l) y (2) habr

disipacin de energa, por lo que H1> H2.

Queriendo restablecer la igualdad, debe aadir el segundo miembro de la

energa disipada en transporte.

Hp12: energa perdida a partir de (l) y (2) por unidad peso del fluido.

Ecuacin de energa para fluido real

Como Hp12 = H1-H2 y como

H1y H2 son llamados cargas

totales. Hp12 es denominado

perdida de carga.

Si se considera tambin para

presentar una mquina de (l)

y (2), la ecuacin de energa

ser:

Ecuacin de energa para fluido real

Ecuacin hay que sealar que en un flujo de fluido real

entre dos secciones en las que no hay mquina, la

potencia siempre est disminuyendo en la direccin del

flujo, es decir, la carga aguas arriba total es siempre

mayor que la de aguas abajo ya que no hay mquina

entre los dos.

La potencia disipada por friccin es fcilmente calculable

razonando de la misma manera que para el clculo de la

potencia fluido. La potencia disipada o perdida por

friccin puede ser calculado por:

VG. 1:

Un tubo admite agua ( = 1000 kg/m3) en depsito cuyo caudal es de 20 L/ s. En el mismo depsito de se pone

aceite ( = 800 kg/m3), por otro tubo con flujo de 10L/s. La mezcla homognea formado se descarga a

travs de un tubo cuya seccin tiene una superficie de

30 cm2. Para determinar la densidad de mezcla en el

tubo de descarga y la velocidad del mismo.

Solucin:

VG.1:

Variables

Q1,Q2,Q3, Qm1,Qm2,Qm3, a, o , m, A, Vm

11

Ecuaciones 4

Constantes: a, o, A 3

Especificaciones : Q1, Q2 2

Fuerzas motrices: Qm3,Vm 2

Grados de libertad 0

TCNICA DE SOLUCIN DE PROBLEMAS

Anlisis de Turbomquinas genera una gran cantidad de

problemas. Resolver estos problemas, hay que hacer frente a

diversas ecuaciones, datos, tablas, supuestos unitarios sistemas

y nmeros.

Se recomienda estos pasos de resolucin de problemas:

1. Variables y Especificaciones: Rena todos los parmetros

y los datos del sistema que figuran en un solo lugar.

2. Constantes: Busque, a partir de tablas o grficos, todos

los datos de la propiedad lquido necesario: , , Cp, k, etc. 3. Utilizar unidades del SI (N, s, kg, m), si es posible, y no

sern necesarios factores de conversin.

4. Fuerza motriz (variable a determinar): Asegrese de que lo

que se pide. Es muy comn que los estudiantes responden a la

equivocada cuestin, por ejemplo, la presentacin de informes flujo

de masa en lugar del flujo de volumen, la presin en vez del

gradiente de presin, arrastre la fuerza en vez de la fuerza de

elevacin.

5. Hacer un esquema detallado del sistema, con todo claramente

etiquetado.

6. Consideraciones: Piense con cuidado y luego una lista de sus

supuestos. Aqu el conocimiento es poder; usted no debe adivinar

la respuesta. Usted debe ser capaz de decidir correctamente si el

flujo puede ser considerado estable o inestable, compresible o

incompresible, unidimensional, o multidimensional, viscoso o no

viscoso, y si un volumen de control o se necesitan ecuaciones

diferenciales parciales.

7. Ecuaciones: Sobre la base de los pasos 1 a 6 anteriores,

escribir las ecuaciones apropiadas, correlaciones de datos, y

las relaciones de estado que gobiernan los fluidos que

intervienen en el problema. Si la solucin puede obtenerse

algebraicamente calcule lo que le piden.

8. Escriba la solucin de forma clara, con unidades

adecuadas y con el nmero correcto de cifras significativas

(generalmente dos o tres) que la incertidumbre general de la

datos permitirn.

VG: TANQUE AGITADO CON VLVULA

Descripcin del proceso

El agua fluye a travs de un

tanque que se drena por

gravedad. Queremos

analizar el comportamiento

del nivel de acuerdo con el

problema principal, que es el

flujo de alimentacin.

VG: TANQUE AGITADO CON VLVULA

Consideraciones

Masa especifica constante

Isotrmico

Mezcla Perfecta

VG: TANQUE AGITADO CON VLVULA

Ecuacin

Balance de masa

Ajuste del tamao

Hidrodinmica

VG: TANQUE AGITADO CON VLVULA

Variables

FE, FS, , A, V, h, K, t

8

Ecuaciones 3

Constantes: , A, K 3

Especificaciones : t 1

Fuerzas motrices: FE 1

Grados de libertad 0

VG.2:

En la instalacin de la Fig. , compruebe si la mquina es una bomba o una turbina y determinar su potencia, sabiendo que su rendimiento es de 75%.

Se sabe que la presin indicada por un manmetro instalado en la seccin

(2) es 0,16 MPa, el flujo se l0 L/s, el rea de la seccin de tubo es l0 cm2 y

la prdida de carga entre las secciones de (l) y (4) es de 2 m.

Solucin: Cabe sealar inicialmente que la

seccin (4) es el nivel del depsito

inferior sin incluir la parte interna

del tubo, ya que este no conoce la

presin. Se sabe que el flujo se

llevar a cabo hacia el la

disminucin de las cargas, en una

seccin donde no existe mquina,

Para comprobar el efecto, los

cargos se calculan en la seccin (I)

y (2).

VG.2 :

Como H2> H1, se concluye que el

flujo ser de (2) para (1), siendo

por lo tanto, una bomba.

Aplicando la ecuacin de la

energa entre las secciones (4) y (1),

que comprende la bomba.

Recuerde que la ecuacin debe ser

escrito en la direccin de fluir

Ejercicio 1:

En la instalacin de la figura, la mquina es una bomba y el fluido

es agua. La bomba tiene una potencia de 5 kW y su rendimiento es

de 80%. El agua se descarga a la atmsfera a una velocidad de 5

m/s por el tubo cuya seccin del rea es 10 cm2. . Determinar la

cada de presin del fluido entre (1) y (2) y la potencia disipada lo

largo de la tubera. Datos: H2O = 104 N/m3; g = 10 m/s2.

Muchas Gracias.