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.