1. TURBOMÁQUINAS Prof.: Redlich García Departamento de Energía La Universidad del Zulia
2. Contenido Programático Tema 1: Introducción. Definición y clasificación de la maquinas de fluidos Tema 2: Termodinámica básica, mecánica de fluidos, definiciones de rendimiento Tema 3 : Estudio bidimensional del flujo en cascadas Tema 4: Turbinas de flujo axial: análisis bidimensional Tema 5: Compresores, bombas y ventiladores de flujo axial: análisis bidimensional Tema 6: Compresores, bombas y ventiladores de flujo radial: análisis bidimensional Practicas de laboratorio: Práctica 1: Visita al laboratorio. Práctica 2: Máquinas de desplazamiento positivo Práctica 3: Turbomáquinas radiales
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4. Turbomáquinas Tema Nº 1: Introducción. Definición y clasificación de la Máquinas de Fluido Prof.: Redlich García Departamento de Energía La Universidad del Zulia
5. Introducción. Definición y clasificación de la Máquinas de Fluido Máquina de fluido: Son máquinas de fluido aquéllas que intercambian energía mecánica con un fluido que las atraviesa. Si en el proceso el fluido incrementa su energía, la máquina se denomina generadora ( compresores , bombas ), mientras que si la disminuye, la máquina se denomina motora ( turbinas , motores de explosión).
6. Introducción. Definición y clasificación de la Máquinas de Fluido Las máquinas de fluido se clasifican en función de la compresibilidad del fluido en: 1.- Máquina hidráulica o máquina de fluido incompresible Son las máquinas que trabajan con líquidos (por ejemplo, agua) pero además se incluyen aquellas que trabajan con gases cuando éstos se comportan como incompresibles, como por ejemplo los ventiladores. Estas máquinas aprovechan únicamente la energía mecánica disponible en el fluido (cinética y potencial ) 2.- Máquina térmica o máquina de fluido compresible ya sean condensables (caso de la máquina de vapor) o no condensables (como la turbina de gas). Estas aprovecha la energía térmica del fluido
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9. Introducción. Definición y clasificación de la Máquinas de Fluido Turbomáquinas Una turbomáquina es una máquina cuyo elemento principal es un rodete ( rotor ) a través del cual pasa un fluido de forma continua, cambiando éste su cantidad de movimiento por acción de la máquina. siendo esto aprovechado como una entrega de energía del fluido a la máquina (turbomáquinas motoras) o de la máquina al fluido (turbomáquinas generadoras ).
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14. Introducción. Definición y clasificación de la Máquinas de Fluido Forma del Rodete o Proyección del Fluido Rodete Radial : Rodete Axial : Cuando el fluido se proyecta pasando perpendicular al eje. Cuando el fluido se proyecta pasando paralelo al eje.
15. Introducción. Definición y clasificación de la Máquinas de Fluido Forma del Rodete o Proyección del Fluido Rodete semiaxial, mixto o diagonal: Rodete transversal: El fluido es lanzado en forma de chorro sobre un numero limitados de alabes del receptor Como la turbina de flujo transversal o Michell –Banki, la Pelton El fluido se proyecta inicialmente radial y luego axial o viceversa al pasar a través del rodete.
16. Introducción. Definición y clasificación de la Máquinas de Fluido Cambio de presión en el rodete Turbomáquina de acción Turbomáquina de reacción . Donde la presión del fluido cambia entre la entrada y la salida del rodete. Un compresor, una turbina por ejemplo, estaría clasificado como una turbomáquina de reacción. Es aquella donde la presión del fluido no cambia entre la entrada y la salida del rodete. Un ejemplo de ésta es la turbina Pelton.
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18. Introducción. Definición y clasificación de la Máquinas de Fluido Turbinas hidráulicas TURBINA KAPLAN TURBINA FRANCIS
30. Introducción. Definición y clasificación de la Máquinas de Fluido Diferentes tipos de impulsores Abierto Semiabierto cerrado
31. Introducción. Definición y clasificación de la Máquinas de Fluido Diferentes Formas de impulsor Bomba de hélice
32. Introducción. Definición y clasificación de la Máquinas de Fluido Comparación de Turbomaquinas con Máquinas desplazamiento positivo
33. Introducción. Definición y clasificación de la Máquinas de Fluido Diferentes configuraciones de turbocargadores Radial (centrífugo) - Axial Radial (centrípeta) – Radial (centrífugo)
34. Turbomáquinas Continuación tema nº 1 Métodos para estudiar el comportamiento o actuación de una máquina de fluido Prof.: Redlich García Departamento de Energía La Universidad del Zulia
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37. Métodos para estudiar el comportamiento o actuación de una máquina de fluido También se consideran: Variables Dependientes : - La energía transferida : gH - La eficiencia : η - La potencia : Pot Se relacionan funcionalmente como : gH = f (Q,N,D, ρ , µ). η = f (Q,N,D, ρ , µ). Pot = f (Q,N,D, ρ , µ). Gráficamente H Q Q Q N N N η Pot D D D
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39. Métodos para estudiar el comportamiento o actuación de una máquina de fluido Potencia Hidráulica o Potencia de la bomba : si no la dan es la misma del motor Pot = ρ gHQ = Δ PQ Ψ = f (ø); (P) = f (ø); η = f (ø) Estos Parámetros se toman en cuenta en una familia geométricamente semejante. En Turbomáquinas el flujo es completamente Turbulento entonces el Número de Reynolds (Re) es muy alto y su efecto de actuación en la máquina es pequeño y se ignora. - Coeficiente de flujo ( ø) η ø
40. Métodos para estudiar el comportamiento o actuación de una máquina de fluido Características de funcionamiento En Turbomáquinas : Hay 3 tipos de semejanza: • Semejanza GEOMÉTRICA (dimensiones) • Semejanza CINEMÁTICA (velocidades) • Semejanza DINÁMICA (fuerzas) La existencia de similitud dinámica implica la existencia de similitud geométrica y similitud cinemática La condición de actuación de semejante. Será cuando se aplica a dos velocidades de giro diferentes (De dos curvas dimensionales a una curva adimensional) Para máquinas semejantes (cumplen las leyes de semejanza), se cumple la igualdad de parámetros adimensionales : ψ ø H Q N 1 N 2 D 1 D 2
41. Métodos para estudiar el comportamiento o actuación de una máquina de fluido Estos Parámetros Adimensionales : Se utilizan para hallar el tamaño de la Turbomáquina (D), como también : Q, H, N, η Vienen: Problemas de actuación de Turbomáquinas y regla de semejanza De allí que: ø 1 = ø 2 ψ 1 = ψ 2 η 1 = η 2 P 1 = P 2 Para bombas: Para turbinas:
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43. Turbomáquinas. Problemas: Actuación de Bombas. Análisis Dimensional a) Determinación del PMR: Para bombas Columna “a”: Columna “b”: η = 44.35 % Columna “c”: η = 74.12 % Columna “d”: η = 86.05 % Columna “e”: η = 92.27 % Columna “f”: η = 91.43 % Columna “g”: η = 79.18 % El PMR (columna “e”) es aproximadamente de 92.27% para un
44. Turbomáquinas. Problemas: Actuación de Bombas. Análisis Dimensional b) Representen el coeficiente de altura frente al coeficiente de caudal. Ecuaciones a utilizar: Columna “a”: Columna “b”:
47. Turbomáquinas. Problemas: Actuación de Bombas. Análisis Dimensional Determinación de la parte c: Se utiliza el punto del máximo rendimiento (PMR) N =? D =? H =? 1m ³ = 264.17 gal
49. Turbomáquinas. Problemas: Actuación de Bombas. Análisis Dimensional 2. Si la bomba de 38 in de diámetro de la figura siguiente se usa para proporcionar queroseno a 20ºC a 850 rpm 22000 gal/min, ¿Qué altura manométrica y potencia al freno podría proporcionar? Agua
50. Turbomáquinas. Problemas: Actuación de Bombas. Análisis Dimensional Modelo: Agua (Grafica). (Prototipo) (Kerosén) (Prototipo) (Kerosén) Datos
52. Métodos para estudiar el comportamiento o actuación de una máquina de fluido El proyectista, el diseñador o ingeniero - Para seleccionar el tamaño de la máquina hidráulica usa los parámetros adimensionales ψ , ø, P, η Para bombas: Para turbinas:
53. Métodos para estudiar el comportamiento o actuación de una máquina de fluido Para Bombas : Conozco H, Q y N (usualmente es suministrado como datos) La forma de eliminar D es dividir Ø 1/2 entre ψ ⅓ se expresa: Para seleccionar la forma o geometría (radial, mixta, axial) se utiliza la velocidad especifica (Ns) llamado Coeficiente de forma o geometría y es un parámetro adimensional con esté se elimina el diámetro característico de la máquina
55. Métodos para estudiar el comportamiento o actuación de una máquina de fluido 500 – 4000 4000 – 10000 10000
56. Métodos para estudiar el comportamiento o actuación de una máquina de fluido Para Turbinas: Hidráulicas (Pelton, Francis, Kaplan). Conozco: Potencia (que debo producir), Altura (H), N (rpm) La forma de eliminar el diámetro D es dividir P 1/2 entre ψ 5/4 se expresa Para elegir la geometría o forma de una turbomàquina. Se Calcula la velocidad especifica (N ST ) y se va a la gràfica y se determina la máquina que se necesita
60. Métodos para estudiar el comportamiento o actuación de una máquina de fluido TIPO DE TURBINA MAS ADECUADO EN FUNCIÓN DE LA VELOCIDAD ESPECIFICA Velocidad específica en r.p.m. Tipo de turbina Altura del salto en m . Hasta 18 Pelton de un inyector 800 De 18 a 25 Pelton de un inyector 800 a 400 De 26 a 35 Pelton de un inyector 400 a 100 De 26 a 35 Pelton de dos inyectores 800 a 400 De 36 a 50 Pelton de dos inyectores 400 a 100 De 51 a 72 Pelton de cuatro inyectores 400 a 100 De 55 a 70 Francis muy lenta 400 a 200 De 70 a 120 Francis lenta 200 a 100 De 120 a 200 Francis normal 100 a 50 De 200 a 300 Francis rápida 50 a 25 De 300 a 450 Francis extrarrápida 25 a 15 De 400 a 500 Hélice extrarrápida 15 De 270 a 500 Kaplan lenta 50 a 15 De 500 a 800 Kaplan rápida 15 a 5 De 800 a 1100 Kaplan extrarrápida Menos de 5
61. Métodos para estudiar el comportamiento o actuación de una máquina de fluido 1 2 3 4 Velocidad específica en rad
62. Métodos para estudiar el comportamiento o actuación de una máquina de fluido Problema nº 12 (guía). Se requiere una bomba que gira a 800 rpm genere una altura de 1,83 m al bombear 0.2 m 3 /s. ¿Cuál tipo de bomba se necesita y cuanta potencia demandará? N= 800 rpm H=1.83 m Q= 0,2 m 3 /s Para bomba ; se recomienda una bomba axial W
63. Métodos para estudiar el comportamiento o actuación de una máquina de fluido Problema nº 3. Un reservorio tiene una “altura” de 40 m y un canal que sale del mismo, permite una tasa de flujo de 34 m 3 /s. ¿Cuál es el tipo mas adecuado de turbina para una velocidad rotacional del rotor de 150 rpm? H = 40m Q = 34 m 3 /s N= 150 rpm Para turbina : = ; Según el resultado o gráfica es recomendable utilizar una turbina Francis
64. Métodos para estudiar el comportamiento o actuación de una máquina de fluido Cavitación : Es un fenómeno típico de bombas y turbinas hidráulicas (flujo incompresibles, de agua o de otro líquido) y afecta a los álabes. - Es la carga disponible a la entrada o salida de la turbomáquina; en la región donde la presión es más baja es donde aparece la cavitación. La cavitación puede definirse como la formación y posterior colapso (implosión) de burbujas de gas (cavidades) en el seno de un líquido. El gas puede ser aire, vapor del propio líquido u otro gas disuelto en el líquido considerado. Cavitación
66. Métodos para estudiar el comportamiento o actuación de una máquina de fluido - La existencia de cavitación en la operación de la turbomáquina puede causar la erosión de los álabes por fatiga metálica en el sitio donde las burbujas colapsan, reduce la eficiencia y carga, causa ruido y vibración
69. Métodos para estudiar el comportamiento o actuación de una máquina de fluido UN PARÁMETRO para determinar la posibilidad de cavitación es la carga neta positiva en la succión ( Net Positive Suction Head ) (Disponible) NPSH es el exceso de carga disponible arriba de la mínima para cavitación
70. Métodos para estudiar el comportamiento o actuación de una máquina de fluido Para evitar cavitación la NPSH disponible debe exceder la NPSH critica - Cuando hay cavitación la NPSH es igual a la mínima (NPSH critica ) NPSH > NPSH critica
71. Métodos para estudiar el comportamiento o actuación de una máquina de fluido Para calcular el NPSH se plantea la ecuación de energía entre el depósito y la succión del rotor de la bomba Coeficiente de Cavitación ( σ ): En general Valor crítico del coeficiente de cavitación ( σ c )
72. Métodos para estudiar el comportamiento o actuación de una máquina de fluido Para determinar el efecto de la cavitación se utiliza la velocidad especifica de succión (Nss) Para BOMBAS: En bombas Nss es relativamente constante = 2.9 rad ≈ 3 rad Para TURBINAS: En turbinas Nsst ≈ 4 rad Si excede estos valores la máquina trabaja en zona insegura; ya que Hs crece
75. Métodos para estudiar el comportamiento o actuación de una máquina de fluido Los parámetros funcionales se reducen a parámetros adimensionales se expresan:
76. Métodos para estudiar el comportamiento o actuación de una máquina de fluido Donde: K = Relación de calores específicos (no se toma en cuenta) Coeficiente de incremento de entalpía Coeficiente de flujo ( Ø) o coeficiente de flujo másico Número de Reynolds ( no se toma en cuenta se supone no influye) Número de Mach del álabe (ND es proporcional a la velocidad del álabe)
77. Métodos para estudiar el comportamiento o actuación de una máquina de fluido En la práctica: Puede escribirse Los parámetros anteriores se transforman en: ≈ Δ T 0 / T 01
78. Métodos para estudiar el comportamiento o actuación de una máquina de fluido En la práctica: Puede escribirse Los parámetros anteriores se transforman en: ≈ Δ T 0 / T 01
79. Métodos para estudiar el comportamiento o actuación de una máquina de fluido Como Δ h (incremento isentrópico de entalpía) está relacionada por: Δ h = Cp (T o2s – T 01 ) y Los parámetros anteriores se transforman en: PARÁMETROS QUE SE UTILIZAN EN LA PRÁCTICA. Para construir las Gráficas
80. Métodos para estudiar el comportamiento o actuación de una máquina de fluido Características globales de un compresor Línea de eficiencia constante Eficiencia Máxima aumentando Línea de constante Línea de Bombeo (Surge)
81. Métodos para estudiar el comportamiento o actuación de una máquina de fluido Características globales de una turbina Flujo másico de bloqueo aumentando
82. Métodos para estudiar el comportamiento o actuación de una máquina de fluido Problema Nº 4. Un compresor de flujo axial es diseñado para girar a 4500 rpm cuando las condiciones ambientales son 101,3 KPa y 15ºC (atmósfera normal). El día que las características de funcionamiento se obtienen, la temperatura atmosférica es de 25ºC ¿Cuál es la velocidad correcta a la cual el compresor debe funcionar? Si una presión de entrada de 60 KPa se obtiene en el punto donde el flujo de masa para condiciones ambientales normales sería 65 Kg/s, calcular el flujo de masa obtenido en el ensayo. Datos: I: condiciones ambientales II: Condiciones para el momento de la prueba :
83. Métodos para estudiar el comportamiento o actuación de una máquina de fluido Determinación de N II: Sustituyendo: Determinación de : Sustituyendo:
