Turbomáquinas - Tema 1

Transparencias de

Turbomáquinas hidráulicas

Grado en Ingeniería en Tecnologías

Industriales 3º curso - V12G360V01504 - Sede Cidade

Autores:

Marcos Meis Fernández (Ing. Industrial)

Alejandro Molares (Ing. Industrial)

Elena Martín Ortega (Dr. Ing. Aeronáutico) [email protected]

Área de Mecánica de Fluidos

Universidad de Vigo

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Turbomáquinas hidráulicas – Profesorado

Teoría:

• Grupo T1: Cidade - Mañanas

Elena Martín (2 primeras semanas), Marcos Meis (resto)

• Grupo T2: Cidade – Tardes

Alejandro Molares

Problemas:

• Grupos T11, T12: Cidade - Mañanas

Marcos Meis, Alejandro Molares (3.5h)

• Grupo T21, T22: Cidade – Tardes

Alejandro Molares

Autor: E. B. Martín Ortega 2

Turbomáquinas hidráulicas – Temario

3

Turbomáquinas hidráulicas – Temario

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Necesario haber cursado previamente la asignatura:

Mecánica de fluidos V12G360V01403

Se usaran concepto y principios generales vistos en dicha asignatura

Turbomáquinas hidráulicas – Bibliografía

5

Bibliografía: 1. A. Viedma y B. Zamora (2008), Teoría y Problemas de Máquinas Hidráulicas, 3ed, Horacio

Escarabajal Ed.

2. Mataix, C. (1975), Turbomáquinas Hidráulicas, Editorial ICAI

3. Mataix, C. (1986), Mecánica de Fluidos y máquinas hidráulicas, Ed. Del Castillo, 2ª ed.

4. F. White, Mecánica de Fluidos, Mc Graw-Hill, 4th ed.

5. Karassik, I. J. (ed.) (1986): Pump Handbook, 2ª ed., Nueva York, McGraw-Hill.

6. Agüera Soriano (2002), Mecánica de Fluidos incompresibles y turbomáquinas hidráulicas, 5º ed.,

Ciencia.

7. Krivchenko, G (1994): Hydraulic Machines: Turbines and Pumps, 2ª ed., Lewis

8. Moody L. F. Zowski T. (1969) Hydraulic Machinery, sección 26 en Handbook of Applied

Hydraulics, 3ª edición, editado por C. V. Davis y K. E. Sorensen, McGraw-Hill.

9. Wilson D. G. y Korakianitis T. (1998) The Design of High-Efficiency Turbomachinery and Gas

Turbines. Prentice Hall, 2nd ed.

10. Henry, P. (1992): Turbomachines Hydrauliques, Presses Polytechniques et Universitaires Romandes

Turbomáquinas hidráulicas - Evaluación

6

Evaluación de la asignatura:

• Alumnos en evaluación continua:

• Nota el examen: 80% de la nota final en la asignatura

• Asistencia a prácticas: 5%

• Nota de los problemas propuestos en clase de prácticas (2 pruebas): 15%

• Alumnos que han renunciado a la evaluación continua (solicitado oficialmente a la

dirección de la EEI y aprobado por la misma):

• Nota del examen: 100 % de la nota final en la asignatura

Examen:

12 Diciembre, 16:00 h, Aula 00

Prueba escrita, puede consistir en preguntas teóricas y/o prácticas

Se usará la plataforma de Faitic (www.faitic.uvigo.es) para dejar documentación y

avisos a los alumnos

http://www.faitic.uvigo.es/

Turbomáquinas hidráulicas – Tema 1

Tema 1 – Introducción

1.1 Máquinas de Fluidos. Clasificación

1.2 Turbomáquinas Hidráulicas

1.3 Aplicaciones a la industria

1.4 Características generales

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Turbomáquinas hidráulicas – 1.1

1.1 Máquinas de Fluidos. Clasificación Máquina de fluido: sistema mecánico que intercambia energía mecánica con el fluido que

está contenido y circula a través de la máquina. Dentro de esta definición la máquinas

hidráulicas son aquellas en las que los efectos de compresibilidad del fluido son

despreciables al atravesar la máquina: Si el fluido es líquido no debe tener cambio de fase y

si el fluido de trabajo es un gas las diferencias de presión y los efectos térmicos deben ser

despreciables. Lo contrario recibe el nombre de máquina térmica.

Se usan desde tiempos inmemoriales: Tipos de bombas como la rueda hidráulica de paletas,

norias (1000 a.c.), tornillo de Arquímedes.

Da Vinci inventó la primera bomba centrífuga en el 1500, a partir del siglo XVIII fue

cuando el estudio de las turbomáquinas se intensificó a partir de los estudios de Leonhard

Euler sobre esta materia.

Debemos a numerosos ingenieros de los siglos XIX y XX (como Pelton, Kaplan o Francis)

la fabricación de máquinas hidráulicas de elevado rendimiento

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1.1 Máquinas de Fluidos. Clasificación En general el flujo en las máquinas hidráulicas y en particular en las que el intercambio de

energía tiene lugar en un elemento giratorio llamado rodete (turbomáquinas) el flujo es a

altos números de Reynolds y por tanto turbulento, 3D y no estacionario

Se realizan simplificaciones en su estudio:

• Flujo cuasi-estacionario: Se estudian en un tiempo suficientemente grande como para

que las propiedades fluidas promediadas puedan considerarse constantes con el tiempo

• Teoría de flujo unidimensional: flujo perfectamente guiado por los álabes de la

turbomáquina

• Teoría bidimensional: el flujo tiene lugar en superficies de revolución concéntricas con

el eje (m. axiales) o perpendiculares a este (m. radiales)

• Se apoya en el análisis dimensional y la semejanza física para predecir condiciones de

funcionamiento

En los últimos años se han tenido en cuenta algunos efectos 3D a los análisis anteriores así

como efectos de pérdidas por fricción y turbulencia

El diseño de un máquina hidráulica debe apoyarse en la experimentación y simulación

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Clasificación de las máquinas de fluidos:

• Según el sentido de la transmisión de energía:

o Máquinas generadoras: comunican energía al fluido (generalmente suministrada por un motor): bombas, compresores,

ventiladores, hélices

o Máquinas motoras: extraen energía del fluido: turbinas

hidráulicas, turbinas de vapor, de gas, aeroturbinas

o Máquinas reversibles: Su diseño les permite funcionar alternativamente como máquinas generadoras o motoras (ej.

grupos turbina-bomba de centrales de acumulación por bombeo)

o Máquinas transmisoras: transmiten energía entre dos sistemas mecánicos o dos fluidos, combinando una m. motora y otra generadora. Función: transmisión o cambio de par, cambio de velocidad de giro: acoplamientos fluidos,

convertidores de par, transmisiones hidráulicas y neumáticas

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Máquinas transmisoras: transmiten energía entre dos sistemas

mecánicos o dos fluidos, combinando una m. motora y otra

generadora. Función: transmisión o cambio de par, cambio de

velocidad de giro: acoplamientos fluidos, convertidores de par, transmisiones

hidráulicas y neumáticas

11

Esquema de una transmisión hidráulica tipo eje-bomba-fluido-

turbina-eje, extraído de Viedma [1]



• Según compresibilidad del fluido:

o Máquinas hidráulicas: Las variaciones de densidad del

fluido al atravesar la máquina son despreciables. Si el fluido

es líquido no debe tener cambio de fase y si el fluido de

trabajo es un gas las diferencias de presión y los efectos

térmicos deben ser despreciables.

En el caso de un flujo de gas con efectos térmicos despreciables, si el nº de Mach del

flujo es tal que M =v/a < 0.3, los efectos de compresibilidad en el gas son

despreciables)

𝜌 =𝑃

𝑅𝑔𝑇 , 𝑑𝑒𝑟𝑖𝑣𝑎𝑛𝑑𝑜 →

𝑑𝜌

𝜌=

𝑑𝑃

𝑃−

𝑑𝑇

𝑇≪ 1 →

𝑑𝑃

𝑃 ≪ 1 𝑦

𝑑𝑇

𝑇≪ 1

o Máquinas térmicas: Las variaciones de densidad del fluido al

atravesar la máquina son apreciables

12



• Según el principio de funcionamiento de la máq.:

o Máquinas de desplazamiento positivo o volumétricas:

o No hay conexión simultánea a través del fluido entre entrada y salida

o El intercambio de energía es en presión mediante el paso del fluido

de una cámara de trabajo en la que entra y sale en un proceso

alternativo

o Pueden ser alternativas (ej. émbolo), giratorias o rotativas (ej.

Engranajes, levas, tornillos)

o Las hay de tipo generador y motor

o Máquinas gravimétricas:

o De menor interés

o Intercambio de energía de tipo potencial gravitatoria

o Ej. rueda hidráulica, tornillo de Arquímedes

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14

Ejemplos de máquinas de desplazamiento

positivo (ext. White):

a) Alternativa de émbolo/pistón

b) Rotativa de engranajes exteriores

c) De tornillo sin fin

d) Excéntrica de paletas deslizantes

e) Bomba de tres lóbulos

f) Bomba doble circunferencial

g) Bomba peristáltica de dos rodillos

Bombas multi-pistón: paralelos y radiales

Bomba rotativa de

engranajes internos


(Continuación de transp.13)

o Máquinas rotodinámicas o turbomáquinas: intercambio de

cantidad de movimiento entre fluido y máquina a través de

una pieza giratoria llamada rotor o rodete (impeller):

15



Clasificación de las turbomáquinas según la dirección

del flujo:

Máquinas radiales

Máquinas axiales

Máquinas mixtas o helicocentrífugas (en bombas) o

helicocentrípetas

16


1.4 Características generales de una turbomáquina.

Puede tener una sola etapa o varias dispuestas en serie.

Cada etapa está compuesta de:

• Estator (elemento fijo). Pueden constar de:

Distribuidor: elemento que conduce el fluido a la entrada del

rodete. Puede ser un conjunto de álabes fijos pero regulables

(algunas turbinas) o conducto de admisión o aspiración (bombas)

Difusor: recoge el fluido que sale del rodete y lo guía para reducir

su energía cinética. En turbinas se denomina tobo de aspiración

Voluta: canal de sección creciente (bombas) o decreciente

(turbinas) que rodea al rodete. En turbinas recibe el nombre de

caja espiral

• Rotor (o rodete, elemento móvil y principal)

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Puede tener una sola etapa (o escalón) o varias dispuestas en serie (multietapa o multicelulares)

Cada etapa está compuesta de:

• Estator (elemento fijo). Pueden constar de: Distribuidor: elemento que conduce el fluido a la entrada del

rodete. Puede ser un conjunto de álabes fijos pero regulables (algunas turbinas) o conducto de admisión o aspiración (bombas). La turbomáquina puede tener una única entrada a rodete (aspiración simple) o ser de aspiración doble

Difusor: recoge el fluido que sale del rodete y lo guía para reducir su energía cinética. En turbinas se denomina tobo de aspiración

Voluta: canal de sección creciente (bombas) o decreciente (turbinas) que rodea al rodete. En turbinas recibe el nombre de caja espiral

• Rotor (o rodete, elemento móvil y principal) 18



Camino del fluido (en caso de tener los anteriores

elementos):

Bomba: distribuidor, rodete, difusor y voluta

Turbina: voluta (o caja espiral), distribuidor, rodete

y tubo difusor

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20

Arriba: fotografía de una bomba

centrífuga

Derecha: geometría de difusor y

rotor

Extraídos de White [4]


21

Compresor multietapa para propano, fuente: White [4]



Clasificación de las turbomáquinas según la dirección

del flujo:

Radiales: las trayectorias de las partículas están contenidas

principalmente en planos perpendiculares al eje (bombas

centrífugas y turbinas centrípetas)

Axiales: las líneas de corriente están contenidas en

superficies de revolución paralelas al eje de forma cilíndrica

Mixtas o helicocentrífugas (en bombas) o

helicocentrípetas: las trayectorias están contenidas en

superficies de revolución no cilíndricas que se acercan o

alejan del eje y a la vez tienen una componente importante

paralela al eje 22


Ejemplo de máquina radial: bomba centrífuga.

23

Extraída de White [4] voluta

rotor

distribuidor


24

Fuente: Mataix [3]



Tipos y denominaciones de turbinas:

Turbinas de acción o impulso: no se produce variación de presión estática a través del rotor, el fluido no llena todo el espacio entre álabes. Recibe el nombre de turbina Pelton. Típicas para aprovechamientos hidráulicos mayores a 400m.

Turbinas de reacción: Hay de dos tipos: Francis (de tipo radial y actualmente mixta) y Kaplan (axial). Las Francis se usan para saltos de entre 40 a 500m mientras que las Kaplan se usan en saltos pequeños menores de 60m

Francis con álabes orientables: Deriaz

Kaplan con álabes fijos: turbinas de hélice

Kaplan sin voluta y colocada axialmente en centro del conducto forzado: grupo bulbo o turbina tubular

25


Ejemplo de turbina de acción o impulso: Pelton

26

Dibujo esquemático de una

turbina Pelton, fuente:Viedma [1]

Fuente: White [4]

Aspecto de la “cuchara” de una turbina Pelton


Ejemplo de máquina radial/mixto: turbina Francis (T. reacción)

27

Dibujo esquemático de una turbina Francis, extraída de Viedma [1]

Video de funcionamiento de una turbina Francis:

http://www.youtube.com/watch?v=Q0F-9HciA-A

Rodete turbina

Francis, fuente

wikipedia








Ejemplo de máquina axial: turbina Kaplan (t. reacción)

28

Dibujo esquemático de una turbina

Kaplan de eje vertical, extraída de

Viedma [1]

Extraída de Wikipedia


1.3 Aplicaciones a la industria. Entre otras:

• Cualquier instalación que necesite bombeo de fluido

(agua, aceite, …), instalaciones de aire comprimido,

oleoductos, …

• túneles de viento, ventilación y renovación de aire en

salas, ventilación en minas, evacuación de humos,

secado de productos industriales, …

• propulsión de barcos

• Parques eólicos

• Centrales hidroeléctricas: minicentral (Pot. < 10MW)

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30

Instalaciones en centrales hidroeléctricas: Izq. Francis radial, der. Kaplan, fuente White

[4]


31

Instalaciones en centrales hidroeléctricas: Izq. Grupo bulbo, der. máquina reversible con

rodete radial, fuente White [4]

Turbomáquinas - Tema 1

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