Funcionamiento y Características de Diferentes Tipos de Álabes de

INTRODUCIÒN Las turbinas son máquinas que nos permiten obtener energía por medio de un fluido que generalmente es agua, obtenida de una fuente natural sin pre tratamientos fisicoquímicos o de tipo microscópicos. El fluido es movido por medio de rodetes que pueden ser de diferentes tipo, entre los mas comunes comunes están; los de hélice, aspas, de te, en u, y espiral. Usualmente se utilizan las turbinas para generar energía eléctrica siendo si endo una fuente de desarrollo y mejoramiento de la calidad de vida, con las comodidades que estos dispositivos nos brindan. Para motivo de este curso se hablan del origen de la energía por medio de manera hidráulica, sabiendo que existen otras maneras más amigables para el medio ambiente como la eólica y la solar, que no se consideran en este capítulo. Para tener eficiencia máxima del sistema se debe conocer los tipos de turbinas para saber cuál escoger y aprovechar el potencial de la máquina.

Funcionamiento y Características Características de Diferentes Tipos de Álabes de Turbina En un turborreactor, el objeto de las turbinas es transformar parte de la energía global del fluido, suma de las energías de presión, cinética e interna debida a la l a temperatura, en energía mecánica. Esta energía mecánica es la que ha de mover al compresor y a los accesorios. El resto de la energía cinética producirá el empuje en el motor al expulsar los gases a alta velocidad a través de la tobera. Las turbinas, de acuerdo con la dirección de la corriente fluida, pueden ser: Centrípetas, llamadas también radiales, trabajan al revés que el compresor centrífugo, pues en estas estas el flujo de gas entra entra desde la periferia hacia el centro centro de la turbina.

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La turbina centrípeta está constituida por un estator, que actúa a modo de tobera, to bera, es decir cambiando su presión por energía cinética, y un rotor que la transformará en energía mecánica.

Las turbinas en todos los motores de reacción modernos, sin tener en cuenta el tipo de compresor utilizado, son de diseño de flujo axial. Las turbinas consisten en una o mas etapas o escalones situados inmediatamente detrás de la sección de cámara de combustión del motor.

Las turbinas axiales pueden ser de dos tipos dependiendo del diseño básico de sus álabes: Turbinas de impulso o de acción. Turbinas de reacción.

Grado de Reacción de una Turbina Se llama grado de reacción de una turbina, al cociente de dividir el salto de presión dado en el rotor, entre el salto de presión dado en el conjunto estátor – rotor.

TURBINAS DE REACCIÓN DE FLUJO RADIAL Y AXIAL Anteriormente se indicó que en las turbinas de reacción ocurre una conversión de altura de presión a energía cinética del fluido del rotor en contraste con una turbina de impulso. En una turbina de reacción no existen boquillas y el fluido llena por completo los pasajes del rotor. En la turbina Fruncis el flujo a través del rotor ocurre en una dirección radial y, por





en la siguiente, se analizan las turbinas de reacción de flujo axial. En primer lugar, se tratan los tipos hidráulicos de esta turbina. En este caso existe una fila única que contiene unos pocos álabes (de 4 a 6) que son comparativamente comparativamente grandes. Esta clase de turbinas se conocen como turbinas tipo hélice. La velocidad del flujo en dichas turbinas varía con la distancia radial desde el eje de la turbina y, por tanto, no pueden analizarse con la teoría de flujo unidimensional. En la siguiente sección se consideran turbinas con muchos álabes cortos (denominadas c~zscudus) posiblemente posiblemente con muchas etapas. En este caso puede utilizarse la teoría de flujo unidimensional. De acuerdo con esto, la figura fi gura 15.9 muestra una turbina hidráulica tipo hélice conocida como turbina Kuplun. Los álabes de guía pueden ajustar su orientación con el fin de controlar el flujo de entrada. Mediante estos álabes se da un movimiento rotacional r otacional al agua, como se ve desde arriba. Considérese una masa dnz en el flujo f lujo después de pasar los álabes de guía. La gravedad actúa sobre este elemento en la dirección vertical. 715 También se considerará que el gradiente de presión actúa radialmente hacia adentro endirección del









Son aquellas cuyo grado de reacción es mayor que cero. El significado físico de que el grado de reacción tenga un determinado valor, es que parte de la expansión se efectúa en el estátor y parte en el rotor. Al paso del fluido por el estátor se produce una caída parcial de presión presión y un aumento de velocidad, velocidad, esto es, el estátor, como en el caso de las turbinas de impulso, funciona como una tobera y al llegar el fluido al rotor, continúa la caída de presión. De la misma forma que en la turbina de impulso, el cambio de dirección de la velocidad relativa del fluido respecto a los álabes, origina el movimiento de rotación. En el caso de las turbinas de reacción, no solo cambia la dirección de la velocidad relativa al paso entre los álabes, sino que aumenta, cosa que no ocurre en las turbinas de impulso, en las que solamente existe cambio de dirección, pero manteniéndose constante su magnitud. En este caso pues, también los álabes del rotor forman un paso convergente similar al de una tobera de régimen subsónico.





Estos tipos de turbina pueden combinarse combinarse por diseño de los álabes, tanto del estátor como del rotor, para formar una turbina mixta de impulso y reacción, obteniéndose de esta forma características que corresponden sensiblemente al 50% de cada tipo. La forma óptima de este tipo de turbina corresponde a la utilización del tipo de impulso i mpulso en la raíz del álabe, y del tipo ti po de reacción en el extremo. En estas condiciones, la variación de presiones del gas, desde la raíz del álabe al extremo, varía con la siguiente ventaja de funcionamiento: la mayor presión del gas en la zona del extremo del álabe, reduce el escape de gas que tiende a producirse por fuerza centrífuga hacia la periferia, resultando de esta forma un álabe de más rendimiento. La ventaja funcional apuntada, puede mejorarse aún más, utilizando utili zando álabes apoyados en el extremo, pues de esta forma el rotor de turbina puede girar más cerca del cárter, con la consiguiente reducción de pérdidas de gas fuera de la zona de turbina. Esto, y la reducción r educción de vibración en los álabes con este dispositivo, lo han hecho de mucha utilización. Sin embargo, existe un inconveniente en este tipo de apoyo de álabes, y es que impone una reducción en la temperatura de entrada del gas a la turbina, pues la acción de la fuerza centrífuga de la masa adicional de apoyo del álabe en el extremo, aumenta los esfuerzos que por fuerza centrífuga se producen a lo largo de todo el álabe, y que son máximos en la raíz. La temperatura y los esfuerzos pueden ser críticos en la resistencia del álabe, por esto, en motores que trabajan a elevadas temperaturas temperaturas de entrada a la turbina, no se utiliza este dispositivo. Una solución es utilizar el primer rotor con álabes no apoyados en el extremo, y así en los siguientes que trabajan a menor temperatura.







El primer factor que limita la cantidad de potencia que un motor de turbina de gas puede producir es la temperatura temperatura máxima que puede ser ser tolerada a la entrada entrada de la turbina. A esto se le llama temperatura de entrada en turbina (TIT). Algunos motores modernos han aumentado el rendimiento térmico debido a una permitida TIT aumentada, aumentada, y una forma forma de hacer esto esto es enfriando los álabes guías de entrada en turbina y el primer escalón de álabes de rotor. La refrigeración de la turbina se consigue haciendo fluir aire sangrado del compresor a través de álabes guías de entrada en turbina huecos y de los álabes de rotor. El aire deja la superficie del álabe guía a través de unos orificios especialmente preparados preparados de manera que forma una película de aire sobre el álabe para aislar a la superficie de los gases calientes. La Figura 10-72 muestra la sección transversa t ransversall de dos álabes de turbina a través de los cuales el aire de refrigeración fluye para aumentar la TIT permisible. El aire usado para el sistema de refrigeración de turbina se sangra de una de las últimas etapas del compresor, y aunque su temperatura es mayor de 1.000 º F, es bastante mas fría que la de los gases que arrastran a la turbina. Este aire fluye a través de los álabes hueco y sale con los gases de escape. Solo es necesario refrigerar los álabes guías de entrada en turbina y la primera etapa de álabes rotatorios de turbina. Los gases pierden bastante energía cuando pasan la primera etapa como para que su temperatura caiga dentro de la gama permitida para las etapas sucesivas.





TURBINAS: Las turbinas extraen energía útil del agua que fluye a través de una tubería. En muchos lugares del mundo, donde son posibles velocidades de flujo altas y cargas suficientes, se utilizan hidroturbinas para producir energía eléctrica. Las turbinas constan de un componente móvil llamado rotor el cuál contiene las aspas y todo el conjunto están montados en un eje, o flecha rotatoria. Al transferir el movimiento del líquido a las aspas, éstas giran el eje rotatorio el cuál puede propulsar un generador eléctrico. Las hidroturbinas varían mucho en tamaño y capacidad, pasando desde microunidades que generan 5 Kw hasta las l as grandes instalaciones eléctricas que producen más de 400 Kw Existen dos tipos principales de turbinas: la turbina de reacción que utiliza tanto energía de flujo como energía cinética del líquido; y la turbina de impulsión que requiere que la energía de flujo en el líquido se convierta en energía cinética por medio de una tobera antes de que el líquido lí quido choque con el rotor. A continuación se ampliará la descripción de cada tipo de turbina. TURBI INAS DE REACCION En este tipo de tuberías, el flujo se encuentra encerrado en una caja o cámara que lo conduce hacia el rotor y controlan la componente tangencial de la velocidad a la l a entrada del rotor. Por esto el líquido, sale del aspa estrictamente al rotor con una cantidad de movimiento angular adquirida. Cuando los líquidos se mueven a través tr avés del rotor su cantidad de movimiento angular angular se reduce y transfiere el momento de torsión al rotor, quien a su vez impulsa la flecha para producir potencia. El líquido sale del rotor hacia un difusor, el cual contiene energía cinética del líquido en energía de flujo.





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