Turbinas Turbinas Radiales Radiales Defnición
Las turbinas radiales de fuido compresible compresible son las las turbomaquinas turbomaquinas térmicas capaces de aprovechar la energía proveniente del fuido en orma de impulso rotatorio. En ella los gases fuyen radialmente en relación al ee de la m!quina. "on las mas utili#adas para demandas peque$as de potencia ya que conugan una relativa sencille# constructiva con un dise$ó robusto% de !cil mantenimiento mantenimiento y un costo menor que las a&iales. 'demas de esto% las turbinas radiales pueden manear niveles de fuo mas lentos que los que podría manear una a&ial.
La turbina radial consta de varias partes que se muestran a continuación% unto con los diagramas de velocidades nominales
En cuanto al proceso termodin!mico que sucede en esta turbina% se puede mostrar en un diagrama de (ollier% el cu!l viene dado de esta manera para la turbina radial%
El trabao especí)co hecho por el rotor viene e&presado de la siguiente manera%
*ara el dise$o nominal%
*or lo que%
La e)ciencia total+est!tica viene dada por%
,e igual manera% la e)ciencia total+total se puede obtener mediante esta relación%
-tra relación importante es la relación del nmero de (ach con las velocidades y !ngulos% donde se obtiene que%
/luo a través de una turbina radial La turbina radial tiene muchos componentes similares al compresor centríugo. "in embargo% los nombres y unción de las partes di)eren. E&isten dos tipos de turbinas radiales principalmente% a sabe0 la cantilever y la de fuo mi&to. La turbina radial tipo cantilever% comnmente posee alabes bidimensionales y usa !ngulos de entrada no+radiales. En este caso no hay aceleración del fuo a través del rotor% el cual es el equivalente% a una turbina de acción% adem!s este tipo de turbina no es muy utili#ada por su baa e)ciencia. La turbina radial de fuo mi&to como la que se ve en la )gura 1'2 es el tipo m!s usado actualmente. En la )gura 1'2 se muestran las partes principales de la turbina radial de fuo mi&to. El uncionamiento es el siguiente0 El colector recibe el fuo de gases de la combustión% este colector comnmente tiene !rea transversal decreciente% y en algunos dise$os% este colector es usado como toberas directoras% este tipo de uso del colector es empleado comnmente en los turbocompresores donde la e)ciencia no es muy importante. En el caso de que se use toberas directoras% estas son )adas alrededor del rotor y su unción es guiar el fuo hacia los alabes d!ndoles la dirección adecuada. El fuo es acelerado en su viae a través de los alabes del rotor% y en el caso de turbinas de baa reacción la aceleración total. TRANSFERENCIA DE ENERGIA EN TURBINAS RADIALES Como ya se indico anteriormente, el fluo en este ti!o de tur"ina es en sentido radial, !udiendo ser su sentido #acia el ee $fluo centr%!eto&, o #acia la !eriferia $fluo centr%fu'o&, como se !uede (er en )las fi'uras $A& y $B&* Fi'ura A, Dia'rama de (elocidades a la entrada y a la salida del rotor de una tur"ina de (a!or radial centr%!eta, de un escalonamiento* Fi'ura B* Dia'rama de (elocidades a la entrada y a la salida del rotor de una tur"ina de (a!or radial centrifu'a, de un escalonamiento+ Las tur"inas de fluo centr%!eto tienen meor transferencia de ener'%a, !ues se a!ro(ec#a la accin de la !resin de los 'ases de la com"ustin de"ido a la accin centr%!eta, re!resentada !or el t-rmino. U/0)U000
Recordando el estudio de la transferencia "ao la forma de com!onentes ener'-ticos, cuya e1!resin es. t23/0)30004U/0)U00043r00)3r/00 El t-rmino de accin centr%!eta U/0)U000, es !ositi(o si U/5U0, es decir, si la (elocidad !erif-rica a la entrada de los 'ases es mayor 6ue la de salida, lo 6ue re6uiere 6ue r/ 5 r0, como se !uede a!reciar en la fi'ura $A&* Las tur"inas radiales centr%!etas #an !resentado siem!re !ro"lemas de desfo'ue, de"ido a la acumulacin del fluido en 7onas de radio menor !ro(enientes de 7onas de radio mayor* Este !ro"lema se #a solucionado con -1ito en las tur"inas #idr8ulicas, de las 6ue es eem!lo la Francis, !or6ue en un l%6uido no se !roduce el fenmeno de e1!ansin* 9ero en el caso de fluidos com!resi"les, como los 'ases de la com"ustin, se acent:a 'ra(emente el !ro"lema de desfo'ue a causa de la e1!ansin 6ue -ste (a teniendo, el cual e1i'e mayores 8reas de !aso* Se #ace necesario aumentar las secciones de los ductos de !aso a medida 6ue el fluo se a!ro1ima al ee, y esto slo !uede #acerse en sentido a1ial, con lo 6ue se com!licar%an muc#o los dise;os y la construccin* Esta es la causa de 6ue este ti!o centr%!eto !uro no ten'a ace!tacin* 9artes. Principales Partes Turbinas
Las turbinas de gas pueden dividirse en seis grandes partes principales0 •
3ompresor
•
3!mara de combustión
•
•
Turbina de e&pansión 3arcasa
'dem!s cuenta con una seria de sistemas au&iliares necesarios para su uncionamiento% como son la casa de )ltros% coinetes% sistema de lubricación% recinto acstico% bancada% virador% etc. Compresor:
"u unción consiste en comprimir el aire de admisión% hasta la presión indicada para cada turbina% para introducirla en la c!mara de combustión. "u dise$o es principalmente a&ial y necesita un gran nmero de etapas% alrededor de 45 para una ra#ón de compresión de 6075% comparada con la turbina de e&pansión. "u uncionamiento consiste en empuar el aires a través de cada etapa de alabes por un estrechamiento cada ve# mayor% al trabaar en contra presión es un proceso que consume mucha energía% llegando a signi)car hasta el 859 de la energía producida por la turbina. *ara disminuir la potencia necesaría para este proceso% puede optarse por un dise$o que enríe el aire en etapas
intermedias% avoreciendo su compresión% aunque reduce la e)ciencia de la turbina por la entrada m!s ría del aire en la c!mara de combustión. El control de la admisión de aire en el compresor puede reali#arse segn dos posibilidades. •
Turbinas monoeje0 El compresor siempre gira a la misma velocidad%
que viene dada por el generador% y por lo tanto absorbe la misma cantidad de aire. El trabao para comprimir ese aire es el mismo% tanto si trabaamos a carga m!&ima como si trabaamos a cargas m!s baas% y por lo tanto producimos menos potencia. En este caso las primeras etapas dise$an con geometría variable% deando pasar m!s o menos aire segn su posición relativa% y por lo tanto consumiendo menos potencia. •
Turbinas multieje: En este caso como la velocidad de giro del
compresor es independiente del generador% la velocidad de rotación del compresor puede regularse para una admisión adecuada de aire para cada momento. Cámara de combustión:
' pesar de los distintos tipos de c!maras de combustión todas ellas siguen un dise$o general similar. 3uanto mayor sea la temperatura de la combustión tanto mayor ser! la potencia que podamos desarrollar en nuestra turbina% es por ello que el dise$o de las c!maras de combustión esta enocado a soportar temperaturas m!&imas% superiores a los 6555 :3% mediante recubrimientos cer!micos% pero a su ve# evitar que el calor producido da$e otras partes de la turbina que no est! dise$adas para soportar tan altas temperaturas. Est!n dise$adas mediante una doble c!mara0 •
Cámara interior: "e produce la me#cla del combustible% mediante los
inyectores% y el comburente% que rodea y accede a ésta mediante distribuidores desde la c!mara e&terior en 7 ases. En la primera se da la me#cla con el combustible y su combustión mediante una llama piloto% en el paso posterior se introduce una mayor cantidad de aire para asegurar la combustión completa% y por ltimo y antes de la salida de los gases a la turbina de e&pansión se introduce el resto del aire comprimido para rerigerar los gases de escape y que no da$en las estructuras y equipos posteriores. •
Cámara exterior: "e ocupa de recoger el comburente% aire%
proveniente del compresor% hacerlo circular por el e&terior de la c!mara interior para rerigerar los paneles cer!micos% y a su ve# distribuir la entrada de aire a la c!mara interior de orma adecuada. Turbina de expansión:
Est! dise$ada para aprovechar la velocidad de salida de los gases de combustión y convertir su energía cinética en energía mec!nica rotacional. Todas sus etapas son por lo tanto de reacción% y deben generar la su)ciente energía para alimentar al compresor y la producción de energía eléctrica en el generador. "uele estar compuesta por ; o < etapas% cada una de ellas integrada por una corona de alabes con un adecuado dise$o aerodin!mico% que son los encargados de hacer girar el rotor al que est!n unidos solidariamente. 'dem!s de estos% hay antes de cada etapa un conunto de alabes )os suetos a la carcasa% y cuya misión es redireccionar el aire de salida de la c!mara de combustión y de cada etapa en la dirección adecuada hasta la siguiente. Los alabes deben estar recubiertos por material cer!mico para soportar las altas temperaturas% adem!s% un fuo de aire rerigerador proveniente del compresor los atraviesa internamente% saliendo al e&terior por peque$os ori)cios practicados a lo largo de toda su super)cie. Carcasa:
La carcasa protege y aisla el interior de la turbina pudiéndose dividir en 7 secciones longitudinales0 •
Carcasa del compresor0 Est! compuesta por una nica capa para
soporte de los alabes )os y para conducción del aire de rerigeración a etapas posteriores de la turbina de gas. •
Carcasa de la cámara de combustión: Tiene mltiples capas% para
protección térmica% mec!nica y distribución de aire para las 7 ases en que se introduce el aire en la combustión. •
Carcasa de la turbina de expansión: 3uenta al menos con 4 capas%
una interna de sueción de los alabes )os y otra e&terna para la distribución del aire de rerigeración por el interior de los alabes. ,ebe también de proveer protección térmica rente al e&terior. Otros componentes de la turbina de gas: •
Casa de fltros: "e encarga del )ltrado del aire de admisión que se
introduce al compresor% se componen de 4 primeras ases de )ltrado grosero% y una ltima con )ltro de lu# del orden de las < micras. En este proceso se puede aplicar dierentes tecnologías para aumentar la humedad y disminuir la temperatura del aire. •
Cojinetes: *ueden ser radiales o a&iales% segn sueten el
despla#amiento a&ial o el provocado por el giro del ee. En ambos casos la #ona de contacto esta revestida por un material especial antiricción llamado material =abbit% el cual se encuentra su ve# lubricado. En los coinetes a&iales el contacto se reali#a en un disco anillado al ee y se montan con un sensor de despla#amiento longitudinal% y en los radiales el contacto es directamente sobre el ee y se utili#an 4 sensores de despla#amiento montados en angulo para detectar vibraciones.
•
Sistema de lubricación: *uede contener hasta 65.555 litros de aceite
en grandes turbinas de generación eléctrica% su misión es tanto el rerigerar como mantener una película de aceite entre los mecanismos en contacto. El sistema de lubricación suele contar con una bomba mec!nica unida al ee de rotación% otra eléctrica y otra de emergencia% aunque en grandes turbinas desaparece la turbina mec!nica por una turbina eléctrica e&tra. Entre sus componentes principales est!n el sistema de )ltros% el e&tractor de vahos infamables% rerigerador% termostato% sensor de nivel% presostato% etc. •
Recinto acústico: Recubre todos los sistemas principales de la turbina%
y su unción es aislarla de las inclemencias del tiempo y a su ve# aislar al e&terior del ruido. ,ebe contar con un sistema contraincendios y de ventilación. •
ancada: "e construye en cemento para soportar la estructura de la
turbina% con una cimentación propia para que no se transmitan las vibraciones propias del uncionamiento de la turbina al resto de los equipos de la planta. •
!irador: El sistema virador consiste en un motor eléctrico o hidr!ulico
1normalmente el segundo2 que hace girar lentamente la turbina cuando no esta en uncionamiento. Esto evita que el rotor se curve% debido a su propio peso o por e&pansión térmica% en parada. La velocidad de este sistema es muy baa 1varios minutos para completar un giro completo de turbina2% pero se vuelve esencial para asegurar la correcta rectitud del rotor. "i por alguna ra#ón la turbina se detiene 1avería del rotor% avería de la turbina% inspección interna con desmontae2 es necesario asegurar que% antes de arrancar% estar! girando varias horas con el sistema virador. Trabao0 "on turbinas radioa&iales constituidas por una voluta 1/ig. 42 de entrada% un estator y un rotor. >ormalmente son de rodete nico con velocidades carentes de componente a&ial a la entrada y componente radial a la salida 1radioa&ial2. ,ecir que la e&istencia de una peque$a componente tangencial en contrarrotación 1componente de velocidad radial a la salida2% puede aumentar el trabao especí)co con una leve reducción del rendimiento% acilitando por otra parte% el empleo de diusores en el escape. 3ompresores centríugos0
Los compresores centrífugos, tam"i-n llamados compresores radiales, son un ti!o es!ecial de tur"oma6uinaria 6ue incluye "om"as, (entiladores, o com!resores* /
Los modelos m8s !rimiti(os de este ti!o de m86uina 0 eran "om"as y (entiladores* Lo 6ue diferencia a estos de los com!resores es 6ue el fluido de tra"ao !uede ser considerado incom!resi"le, !ermitiendo as% un an8lisis !reciso a tra(-s de la ecuacin de Bernouilli* 9or contra, cual6uier com!resor moderno se mue(e a altas (elocidades !or lo 6ue su an8lisis de"e asumirse un fluido com!resi"le* Si se le 6uiere dar una definicin, se !uede considerar 6ue los com!resores centr%fu'os !roducen un incremento de densidad mayor 6ue un < !or ciento* Adem8s, la (elocidad relati(a del fluido !uede alcan7ar un n:mero de =ac# >*+ si el fluido de tra"ao es aire o nitr'eno* 9or otro lado, los (entiladores incrementan muc#o menos la densidad y o!eran a =ac# muc#o m8s "ao* De forma ideal, un com!resor din8mico aumenta la !resin del fluido a "ase de comunicarle ener'%a cin-tica)ener'%a?(elocidad con el rotor* Esta ener'%a cin-tica se transforma en un incremento de !resin est8tica cuando el fluido !asa !or un difusor*
?entaas0 Los com!resores centr%fu'os se usan industrialmente !or (arias ra7ones. tienen menos com!onentes a friccin, tam"i-n relati(amente eficientes, y !ro!orcionan un caudal mayor 6ue los com!resores alternati(os $o de des!la7amiento !ositi(o& de tama;o similar* El mayor incon(eniente es 6ue no lle'an a la relacin de com!resin t%!ica de los com!resores alternati(os, a menos 6ue se encadenen (arios en serie* Los (entiladores centr%fu'os son es!ecialmente adecuados !ara a!licaciones donde se re6uiere un tra"ao continuo, como el caso de sistemas de (entilacin, unidades de refri'eracin, y otras 6ue re6uieran mo(er 'randes (ol:menes de aire aumentando su !resin m%nimamente* 9or otro lado, una serie de com!resores alternati(os t%!icamente lle'an a conse'uir !resiones de salida de << a @> =9a* Un eem!lo de a!licacin de com!resores centr%fu'os es la reinyeccin de 'as natural en los !o7os de !etrleo !ara su e1traccin* =uc#os com!resores centr%fu'os se usan tam"i-n en !e6ue;as tur"inas de 'as como A9Us $'eneradores au1iliares& y motores tur"orreactores de !e6ue;as aerona(es $tur"oees de #elic!teros y al'unos tur"o#-lices&* Una ra7n si'nificati(a de ello es 6ue con la tecnolo'%a actual, un com!resor a1ial 6ue o!ere con estos (ol:menes de aire ser%a menos eficiente !or las !-rdidas en las tolerancias del rotor y el est8tor* ay muy !ocos com!resores centr%fu'os de un slo escaln ca!aces de entre'ar una relacin de com!resin de /> a /, !rinci!almente !or las car'as mec8nicas 6ue so!ortan y 6ue limitan su se'uridad, fia"ilidad y (ida del !roducto* En el caso es!ec%fico de los motores !ara aerona(es mencionados anteriormente, una 'ran (entaa es la sim!licidad de los com!resores centr%fu'os y su !recio relati(amente "ao* Re6uiere menos escalones 6ue un com!resor a1ial !ara conse'uir el mismo incremento de
!resin, ya 6ue el cam"io de radio desde la entrada al rotor al "orde de salida es tan acusado 6ue la ener'%a del aire aumenta muc#o en un corto es!acio* 9artes. Los compresores centrífugos son populares en todas las áreas de la industria porque tienen pocas partes que se desgastan, y son relativamente eficientes con la energía, además de ofrecer un flujo de aire mayor que un compresor centrífugo de un tamaño similar. Aunque su principio de funcionamiento es complejo, son sencillos de operar y la mayoría de las partes de un compresor centrífugo se usan para tratar al salida de aire presurizado o para proveer de fluido refrigerante y aceite al compresor en sí mismo. Carca"a
@sta es la cubierta en orma de espiral que rodea a las hoas del impulsor del compresor% y constituye la mayor parte de su masa. La carcasa tiene un ori)cio circular en el rente a través del cual pasa el aire de entrada% una #ona interior en la cual el aire es comprimido% y un puerto de salida por el cual escapa el aire presuri#ado. #mpulsor
@ste compuesto parecido a un ventilador gira en el interior de la carcasa del compresor. 3uando se aplica potencia en su ee% el impulsor rota 1en general se lo conecta a un motor en la mayoría de los casos o a la salida de una turbina en el caso de los turbocompresores2% sus hoas curvas empuan el aire y lo hacen girar dentro de la carcasa. El impulsor puede estar hecho de hierro% acero% bronce% aluminio o pl!stico% dependiendo de la aplicación% y la mayoría son cilíndricos. Las aplicaciones de poco volumen usan impulsores tipo plato con una serie de hoas curvas unidas al plato por detr!s. $limentación
Los compresores pueden ser alimentados de distintas maneras% pero la mayoría uncionan a través de un motor eléctrico. 'lgunos son alimentados con un motor de combustión interna% y otros con una correspondiente turbina conectada al impulsor mediante un ee. Las aplicaciones en las que se usa una turbina como uente de potencia incluyen los turbocompresores% los motores de aeroplanos y las centrales eléctricas de vapor. !ál%ulas de deri%ación
La mayoría de los compresores tienen algn tipo de v!lvula de derivación incorporada. En los compresores alimentados con un motor% estas v!lvulas ventilan aire para prevenir una sobre presión del sistema. Las v!lvulas pueden tener actuadores eléctricos% pero la mayoría son controladas mediante la presión de un resorte. Los turbocompresores a menudo tienen una ventilación incorporada que permite la salida de gases para derivar el escape de la turbina% controlando su velocidad y meorando su salida.
Separador de agua
Estos dispositivos varían en su dise$o% pero su propósito principal es quitar la humedad del aire comprimido. El agua tiende a condensar en el sistema como resultado de la compresión% lo cual signi)ca esencialmente que el vapor en aerosol se comprime nuevamente a su estado líquido. El agua líquida debe ser removida de un sistema compresor de aire para prevenir la corrosión% las inconsistencias en la presión y el congelamiento de las herramientas cuando se libera la presión. Los separadores de agua uncionan a la inversa del radiador de un auto% proveyendo de un lugar río para que las gotas de agua condensen antes de que puedan llegar al fuo de aire. Los separadores también pueden colocarse en línea entre el compresor y el motor de alimentación. 3ompresores 3entríugos Defnición &l compresor centr'(ugo es una turbomá)uina )ue consiste en un rotor )ue gira dentro de una carcasa pro%ista de aberturas para el ingreso * egreso del +u'do, &l rotor es el elemento )ue con%ierte la energ'a mecánica del eje en cantidad de mo%imiento * por tanto energ'a cin-tica del +u'do, &n la carcasa se encuentra incorporado el elemento )ue con%ierte la &C en energ'a potencial de presión .el di(usor/ completando as' la escala de con%ersión de energ'a,
&l di(usor puede ser del tipo de paletas sustancialmente radiales0 o de caracol,
&n la fgura de abajo se muestran las partes de un compresor centr'(ugo con sus respecti%os triángulos de %elocidades0
Partes de un compresor centr'(ugo * %elocidades .Dixon/
&n cuanto al proceso termodinámico )ue reali"a el compresor centr'(ugo0 se puede representar con el diagrama de 1ollier0
Donde el tramo 234 representa el paso del +ujo por la carcasa0 el tramo 435 el paso del +ujo por el impulsor * el tramo 536 el paso del +ujo por el di(usor del compresor,
&n la carcasa0 la entalp'a de estancamiento permanece constante * el +uido acelera de c2 a c40 donde se tiene )ue0
&n cuanto al tramo del impulsor0 se tiene un cambio de entalp'a )ue %iene representado de esta manera0
Para saber el desempe7o de compresor0 existen unas ecuaciones )ue nos dicen )ue tanto puede trabajar,
Para el trabajo espec'fco se tiene )ue0
8a efciencia del compresor se defne de esta manera
Donde0
Para un dise7o óptimo a la entrada del impulsor se utili"an estas relaciones0
$ su %e"0 se debe considerar el (actor de desli"amiento para calcular las %elocidades0 el cuál %iene expresada de esta manera0
Su e(ecto en el triángulo de %elocidades %iene dado en la siguiente fgura0
*academia*edu?@>/>+?B=BASCENTRFUGAS •
es*iHi!edia*or'?iHi?Compresor centrífugo "ooHs*'oo'le*co*(e?"ooHsis"n2J0J+0KK>K
http0AAturbomaquinastermicasct7;64.blogspot.comApAcompresores+ centriugos.html http0AAturbomaquinastermicasct7;64.blogspot.comApAcompresores+ centriugos.html http0AABBB.academia.eduAC<46;88A3odigoDTrianguloDdeD?elocidadesD3ompres orD3entriugo http0AABBB.ehoBenespanol.comApartes+compresor+centriugo+listaD6;484A http0AABBB.estrucplan.com.arA*roduccionesAentrega.aspFGdEntregaH4C7; http0AABBB.atmoseris.comAturbinas+radiales+centripetasA http0AABBB.turbinasdegas.comAinde&.phpAprincipales+partes+turbinas http0AAturbomaquinastermicasct7;64.blogspot.comApAturbinas+radiales.html http0AAauto.idoneos.comAnotasDtecnicasAtiposDdeDmotorA
