TURBOMAQUINAS Las Las Turbo urbomaq maqui uinas nas son equip equipos os diseñ diseñad ados os para para conse consegu guir ir un inter interca cambi mbio o energético entre un fluido (que pasa a su través de forma continua) y un eje de rotación, por medio del efecto dinámico de una o varias coronas de álabes (fijos yo yo móvi móvile les) s)!! Los Los nomb nombre res s que que reci recibe ben n las las coro corona nas s fija fijas s y móvi móvile les s son, son, respectivamente, rotor (rodete, impulsor o "élice, seg#n el tipo de máquina) y estator (voluta o carcasa, seg#n el caso)! $e diferencian de las máquinas de despla%amiento positivo en que e&iste continuidad entre el fluido que entra y, por tanto, el intercambio energético se produce de forma continua! 'l estudio de las turbomáquinas "a progresado muc"o en las #ltimas décadas, pasando a ser un campo tecnológico multidisciplinar y de grandes innovaciones debido al creciente interés por la investigación del flujo en el interior de los distintos equipos!
¿QUÉ SON LAS TURBOMAQUINAS? $on aquellas que absorben absorben energa de un fluido y restituyen restituyen generalmente generalmente energa mecánica en el eje, como una turbina de vapor, una turbina "idráulica o bien absorben energa mecánica en el eje y restituyen energa a un fluido como una bomba, un ventilador! 'l fluido puede ser un lquido o un gas y el órgano, intercambiador de energa mecánica y de fluido, está dotado de movimiento rotativo de all la palabra Turbo o Turbinis de origen latn que significa que la máquina gira!
Las turbomáquinas se llaman también máquinas de corriente o máquinas dinámi dinámicas cas y en ellas ellas el interc intercamb ambio io de energ energa a es debid debido o a la variac variación ión del del momento cinético del fluido en su paso por el órgano intercambiador de energa, dotad dotado o de movimi movimien ento to rotat rotativ ivo, o, que se llama llama rodet rodete! e! La ecuaci ecuación ón de 'uler 'uler o ecuación fundamental de las turbomáquinas, basada en el teorema del momento cinético, es básica para el estudio de estas máquinas! La figura * muestra un corte meridional y un corte transversal de una turbomáquina!
+ig! * orte longitudinal y transversal de una turbomáquina
CLASIFICACIÓN DE LAS TURBOMÁQUINAS Las Turbomáquinas se clasifican seg#n tres criteriosSEGÚN LA COMPRESIBILIDAD DEL FLUIDO:
a) Turb!"#u$%a& T'r!$(a& uando el fluido e&perimenta una variación de la densidad en su paso a través de la máquina, es decir el fluido se considera compresible! 'jemplo- Turbinas de .apor, Turbinas de /as, ompresores!
Turb$%a D La*a+ 's una turbina de acción, a&ial y parcial! Los distribuidores, que tienen el caracterstico perfil ideado para el caso por 0e Laval y sólo más tarde estudiado teóricamente, son de sección circular y están dispuestos simétricamente respecto á la rueda y de un lado de ella, como indica en esquema la figura 122 a y en perspectiva la 122 b! La necesidad de limitar el trabajo y de tener ruedas ligeras, con el objeto que más adelante diremos, "an llevado al constructor á ruedas de pequeño diámetro que dan un n#mero elevadsimo de vueltas, reducido de **3 a *4, seg#n la potencia de la turbina, mediante un tren de engranajes!
+ig! 1 Turbina de Laval
Turb$%a ,++'s una turbina de acción con escalonamientos m#ltiples de presión en n#mero no superior a *2 y montaje unicelular de los discos, y longitud reducida con un mnimo de pérdidas intersticiales en el juego entre eje y diafragmas 'n condiciones de trabajo normales una central térmica utili%a vapor recalentado a elevada presión y temperatura, lo que implica que el salto adiabático total puede ser del orden de 122 a 322 5cal6g!
+ig! 3 'squema de la turbina 7oelly 3!8 9:, 3222 rpm
La .urb$%a Cur.$&
's una turbina de acción con escalonamientos de velocidad, y cuando por primera ve% fue construida, presentaba como caractersticas principales una disposición vertical y un n#mero reducido de escalonamientos de presión, inferior a cinco, cada uno de los cuales estaba subdividido en dos o tres escalonamientos de velocidad, constituyendo as una turbina mi&ta! La disposición vertical ocupaba un espacio mnimo, presentando algunas ventajas desde el punto de vista de desgaste de cojinetes, equilibrado, etc!, pero la disposición actual es "ori%ontal, y los escalonamientos de velocidad se limitan a la primera rueda de alta presión, ya que en las turbinas de vapor de acción de pequeña y media potencia, como el salto entálpico asignado al primer escalonamiento de acción resulta e&cesivo, se sustituye por un doble escalonamiento urtis que permite la admisión parcial de vapor a esta corona urtis se la conoce como corona de regulación, ya que en ella se verifica la regulación cuantitativa del flujo de vapor de la turbina!
+ig! 3 'je giratorio de la turbina urtis
Turb$%a Ra.au 'l francés ;ateau construye en *4<2 un tipo de turbina de acción, tangencial, que transforma en turbina
compound
con
dos
escalonamientos
de presión!
=osteriormente subdivide el salto térmico utili%ado por la máquina en un gran n#mero de escalonamientos de presión, dando lugar a la turbina ;ateau multicelular, que a pesar de ser de acción, se la dota de un ligero grado de reacción en los #ltimos escalonamientos, a fin de aumentar la velocidad de paso y salida del vapor y la consiguiente disminución de la altura de los álabes el primer rodete de alta presión es de tipo urtis, y lleva dos escalonamientos de velocidad!
+ig! > 'squema de la turbina ;ateau
Turb$%a& / ra(($0% 1Par&%&) 'sta turbina debe el nombre a su inventor, tiene gran n#mero de etapas (entre *8 y 82) cada una de ellas con admisión total de vapor y tanto en el grupo de álabes fijos como en los móviles se presenta cada de presión del vapor, que debido al gran n#mero de partes donde se sucede, los incrementos de velocidades (energa cinética) del vapor no son altos por tal ra%ón, al igual que en las turbinas ;ateau, los regmenes de rotación son bajos! =or su gran longitud, debido al alto n#mero de etapas, en lugar de usar árbol, generalmente, los álabes móviles están montados sobre un tambor, en especial los de las #ltimas etapas! 'sta turbina es usada para mover generadores de gran potencia!
+ig!8 orte transversal de la turbina =arsons
b) Turb!"#u$%a& 2$/r"u+$(a& $u diseño se "ace sin tener en cuenta la variación de la densidad o del volumen especfico a través de la máquina! 'n estas turbomáquinas el fluido de trabajo no necesariamente es agua aunque etimológicamente esto signifique la palabra "idráulica, ni siquiera tiene que ser un lquido el fluido tiene que ser incompresible! 'jemplo- una bomba, una turbina "idráulica, un ventilador! La figura > muestra un ejemplo de turbomáquina "idráulica!
+ig! ? @omba centrfuga con y sin difusor radial!
SEGÚN EL SENTIDO DE INTERCAMBIO DE ENERG3A:
a) Turb!"#u$%a& M.ra& 'n ellas el fluido cede energa a la máquina disminuyendo la energa del fluido en su paso por la máquina! =roducen potencia e&pandiendo el fluido "asta una presión más baja! 'jemplo- Turbinas de .apor, Turbinas de /as y Turbinas Aidráulicas! La Turbina de vapor! 'l vapor incide sobre el rodete o rodetes de la turbina a través de una o más toberas, o por una corona fija de álabes! 'l vapor cede su energa cinética obteniéndose energa #til en el eje de la turbina! La e&pansión del fluido ocurre tanto en los álabes fijos como en los álabes móviles del rodete!
+ig! B Turbina de vapor de flujo a&ial!
La Turbina Aidráulica! 's una turbomáquina motora constituida por un canal de llegada, una caja espiral que transforma presión en velocidad, un distribuidor que act#a como tobera, y también transforma presión en velocidad, el rodete, y un tubo de aspiración a la salida! =ueden ser de acción y de reacción! 'n las turbinas de acción, la cada de presión ocurre fuera del rodete es decir en toberas donde la energa de presión se transforma en energa de velocidad! 'jemplo- la turbina =elton! 'n las turbinas de reacción, la cada de presión sucede a través del rodete! 'jemplo- dentro de las de flujo semia&ial se encuentran la turbina +rancis, la turbina 0eria% dentro de las de flujo a&ial se encuentran las turbinas de "élice y las de álabes orientables o turbina 5aplan!
Turb$%a S.ra4+5 $u principio de funcionamiento se basa en el de la turbina de "élice! 'n este tipo de turbina el rodete conocido también como rueda polar, tiene como caracterstica principal el incorporar el generador en la periferia de las palas, lográndose as una pie%a y evitándose el eje del generador y su acople al eje de la turbina! La ventaja de este esquema constructivo frente a las turbinas @ulbo y 5aplan convencionales radica en la disminución de un *2 o *8C de los costos de obra civil, especialmente en cuanto a la longitud del conducto donde fue instalada! Dunque el generador se encuentra en el mismo plano vertical del rodete, este se encuentra por fuera del
ducto de conducción del agua y es de fácil acceso desde la sala de máquinas! omo
las
dimensiones
del
generador
no
tienen
restricciones,
puede
seleccionarse, bien sea un diámetro óptimo o una masa suficientemente grande del rotor, sin que disminuya la eficiencia del sistema de ventilación del generador! 'ste tipo de turbina en los #ltimas años "a tenido un mayor desarrollo debido al las soluciones planteadas en los sellos "idrostáticos ubicados entre el conducto de paso del agua y el generador permitiendo una buena estanquidad! =or a"ora las palas son fijas pero se tiene en perspectiva utili%ar sistemas de palas móviles, para ello deberá darse una respuesta tecnológica a los problemas de absorción de cargas por parte de las palas y de los cojinetes!
+ig!4 orte esquemático! Turbina $traflo
Turb$%a& Dr$a6 'sta turbina, es el resultado de combinar las caractersticas de la turbina +rancis rápida con la turbina 5aplan, con el objetivo de lograr una turbina que utili%ara la altura aprovec"able en los rangos de 12 a 122 m! =ara este fin las palas están colocadas formando un ángulo de >8 grados con el eje de la turbina, condición esta que le e&ige al flujo una trayectoria diagonal al pasar a través del rotor! 'l n#mero especfico de revoluciones vara de *82 a >82 rpm! =or la facilidad de mover las palas en su posición diagonal y debido a su forma, este tipo de turbinas
tiene reversibilidad de trabajar como bomba, ra%ón está que le "a permitido ser utili%ada en centrales "idroeléctricas de acumulación de bombeo!
+ig!< orte esquemático de la turbina 0eria%
Turb$%a& .ubu+ar& bu+b 0e la familia de las turbinas "idráulicas, el de más reciente invención es la tubular o Egrupos bulboF que son turbinas "élice, de eje "ori%ontal cuyo distribuidor y álabes pueden ser fijos o móviles! $u fabricación "a sido requerida, debido a que las turbinas "élice o 5aplan clásicos, obligan instalaciones e&tremadamente onerosas para cadas muy bajas, actualmente su campo de aplicación se e&tiende desde cadas muy bajas "asta cadas de *8 a *? metros! 'n estos nuevos tipos, desaparece la cámara espiral o caracol, practicándose la alimentación directamente desde el embalse, por medio de un tubo de aspiración rectilneo, que manda el agua sobre el rodete de la turbina atraves de unas paletas directoras! 'l rotor tipo "élice con álabes fijos o ajustables, tiene su eje en la misma dirección del ducto facilitando el paso de grandes caudales de agua otras ventajas que presenta sobre las turbinas 5aplan son G 'l rendimiento del tubo de desfogue rectilneo es mejor que el de un tubo de desfogue acodado! G
La potencia especfica caracterstica potencia de una rueda de un metro de diámetro bajo un metro de cada) llega "asta 3? !.! omparado con el má&imo de 1B !.! para la 5aplan!
0e lo anterior se deduce que, para las mismas dimensiones, la potencia es mayor o bien, que para la misma potencia, las dimensiones son menores, con las ventajas consiguientes! 'ntre sus limitaciones técnicas, tenemosG
La potencia unitaria de los bulbos está limitada por las posibilidades de enfriamiento del alternador! 'n los micros centrales, el generador de un metro a un metro y medio, se "alla sumergido en aceite! Los grupos de gran potencia tienen el interior del bulbo lleno de aire comprimido!
G
'l acceso al interior del bulbo es difcil!
G
Los lmites actuales son diámetro del rodete B metros, potencia >2,222 !.!
+ig! *2 'squema de la turbina de tipo @ulbo
Turb$%a Tur7 's una turbina "idráulica de impulso diseñada para saltos de desnivel medio! +ue desarrollada por la compaña /il6es en *<*< a partir de una modificación de la turbina =elton la Turgo tiene varias ventajas sobre la turbina +rancis y la =elton en determinadas aplicaciones! 'n primer lugar, el rodete es más barato de fabricar que el de una =elton! 'n segundo lugar no necesita una carcasa "ermética como la +rancis! 'n tercer lugar
tiene una velocidad especfica más elevada y puede manejar un mayor flujo para el mismo diámetro que una turbina =elton, conllevando por tanto una reducción del coste del generador y de la instalación!
+ig!** Turbina Turgo
b) Turb!"#u$%a& G%ra/ra& 'n ellas la máquina comunica energa al fluido! La energa aumenta en su paso por la máquina! Dbsorben potencia para incrementar la presión del fluido! 'jemplo@ombas, ompresores, .entiladores!
B!ba& La bomba absorbe energa mecánica y restituye al lquido que la atraviesa energa "idráulica! 'l rodete comunica energa al fluido en forma de energa cinética que luego se transforma en energa de presión a través del difusor! Las bombas pueden ser centrfugas y a&iales! 'n cuanto a la base de funcionamiento tenemos las bombas de despla%amiento y las bombas de intercambio de cantidad de movimiento! Las bombas de despla%amiento posen un contorno móvil que obliga al fluido a avan%ar a través de la máquina! Tanto a la entrada como a la salida de estas máquinas e&isten unas válvulas que se abren y cierran alternativamente!
=or otro lado, las bombas de intercambio de cantidad de movimiento, como se "a comentado, forman parte de las turbomáquinas! $eg#n la dirección del flujo a la salida del rodete, pueden subdividirse en los siguientes gruposH
@ombas centrfugas (salida perpendicular al eje)
Las bombas centrfugas elevan poco caudal de agua a una gran altura, se utili%an principalmente en el abastecimiento de agua! $u velocidad especfica vara entre *2 y *22, consiguiéndose el mejor rendimiento con velocidad especfica 82!
+ig!*1 orte transversal de una bomba centrfuga Ios centraremos en las centrfugas, ya que son de clara aplicación a las necesidades de abastecimiento de agua desde sondeos! Las bombas centrfugas pueden clasificarse a su ve%H
@ombas centrfugas "ori%ontales!
H
@ombas centrfugas verticales!
H
@ombas centrfugas sumergidas!
Las bombas centrfugas "ori%ontales "acen mención su nombre a la orientación de su eje! Jcupan más espacio que las bombas verticales! $on económicas y de fácil mantenimiento! =resentan problemas por descebado! Las bombas centrfugas "ori%ontales se clasifican en-
H
9onobloc- 'je #nico para el motor y la bomba! +acilita la instalación y de
menor coste del conjunto! 'n caso de avera dependemos del fabricante! H
'je libre- Los ejes son distintos! 's necesario su acoplamiento! Aay que
prestar gran atención a la bancada y a la alineación de los ejes! Ios da libertad en la averas al poder independi%ar motor y bomba! Las bombas centrfugas verticales se instalan con el eje en posición vertical! Ksualmente la bomba va sumergida y el motor suspendido sobre una plataforma, estando ambos conectados a través de un eje de transmisión! =resenta graves problemas de alineamiento, precisamente conseguir una perfecta verticalidad es lo que determina la vida de estos equipos, y no deben de instalarse a más de < ó *2 metros! Las reparaciones son costosas! Las bombas centrfugas sumergidas son equipos en los que el motor (estanco) y la bomba están unidos y sumergidos! $iempre está en carga y se pueden instalar en po%os profundos! =recisamente la instalación de este tipo de bombas es el objeto de estudio de esta ponencia! H
@ombas "élice (flujo paralelo al eje)
Las bombas "élice (a&iales) eleva muc"o caudal a poca altura, son utili%adas en saneamiento, elevación de grandes trasvases y procesos industriales! $u velocidad especfica vara entre 122 y 312, encontrando el mejor rendimiento con una velocidad especfica de 182!
+ig*3! orte esquemático! @ombas "élice
H
@ombas "elicocentrfugas (flujo mi&to)
Las bombas "elicocentrfugas trabajan entre ambos campos de aplicación, por lo que pueden utili%arse en cualquiera de estos campos con sus limitaciones! $u velocidad especfica está comprendida entre B8 y 122, encontrándose el mejor rendimiento en las de velocidad especfica *32! ;ecordemos que la velocidad especfica tiene carácter adimensional, fijándose con ella toda la familia geométricamente semejante en condiciones análogas de funcionamiento! ;elacionan la velocidad angular de giro, el caudal trasvasado y la altura salvada!
+ig!*> @ombas Aelicocentrfugas!
8%.$+a/r& Kn ventilador esencialmente es una bomba de gas en ve% de lquido! =or tanto, un ventilador es una turbomáquina de fluido generadora para gases! 'n un ventilador, el gas no vara sensiblemente de densidad y por tanto de volumen especfico, por lo que se puede considerar incompresible! 'sto se debe a que el incremento de presiones
es pequeño! La e&periencia confirma que si
mm de agua, el gas
prácticamente puede suponerse incompresible! 'n el caso contrario se empie%an a sentir los efectos de la compresibilidad del gas! Los ventiladores se clasifican en centrfugos y a&iales!
+ig! *8 sometra y despiece de un ventilador centrfugo!
C!9r&r& $on Turbomáquinas térmicas generadoras! La máquina comunica energa al fluido que sirve para comprimir el gas! Los compresores pueden ser radiales y a&iales! 'n los ciclos de turbina de gas se encuentra presente el compresor, el cual absorbe parte de la potencia producida por la turbina!
+ig! *? ompresor centrfugo y compresor a&ial
SEGÚN LA DIRECCIÓN DEL FLUO:
a) Turb!"#u$%a& / 4+u; a<$a+ uando la trayectoria del flujo que atraviesa la máquina es paralela al eje de rotación (+igura *B)
+ig! *B Dlgunas Turbomáquinas de +lujo D&ial
b) Turb!"#u$%a& / 4+u; ra/$a+ uando la trayectoria del flujo está en un plano perpendicular al eje de rotación! (+igura *4)! 'jemplo- la bomba centrfuga, el ventilador o soplador centrfugo, rl compresor centrfugo !
+ig! *4 Turbomáquinas de flujo radial
() Turb!"#u$%a& / 4+u; !$<. uando en la dirección del flujo en la salida del rotor intervienen las componentes a&ial y radial de la velocidad! (+igura *<)
+ig! *< Turbomáquinas de flujo mi&to
