Universidad Veracruzana Facultad de Ingeniería Eléctrica
Selección de Turbomaquinaria Autores: Rafael Ernesto García Muñoz
12 de Marzo de 2014
INTRODUCCIÓN A lo largo de la historia de la humanidad, el hombre ha modificado y manipulado su entorno para realizar un trabajo en el menor tiempo y esfuerzo posible. Con esta finalidad se han construido máquinas con diferentes niveles de complejidad. Por lo tanto, una máquina es un dispositivo que convierte la energa para realizar un determinado trabajo. Para realizar este trabajo, las máquinas pueden utilizar cualquier tipo de energa disponible, por ejemplo la energa t!rmica del sol, la energa e"lica del viento, la energa hidráulica de corrientes naturales de agua, energa mecánica, energa el!ctrica, etc. #n nuestro caso, nos enfocaremos solo al estudio de las turbomaquinas y en la selecci"n de cada una de ellas que es a lo que nos enfocaremos en nuestro estudio. #n este trabajo veremos el funcionamiento de turbomaquinas, cuyo funcionamiento principal es que absorben energa de un fluido y restituyen generalmente energa energa mecánica en el eje, como una turbina de vapor, una turbina hidráulica o bien absorben energa mecánica en el eje y restituyen energa a un fluido como una bomba, un ventilador. #n ellas el intercambio de energa es debido a la variaci"n del momento cin!tico del fluido en su paso por el "rgano intercambiador de energa, dotado de movimiento rotativo, que se llama rodete. $a ecuaci"n de #uler o ecuaci"n fundamental de las turbomáquinas, basada en el teorema del momento cin!tico, es básica para el estudio de estas máquinas. #l fluido puede ser un lquido o un gas y el "rgano, intercambiador de energa mecánica y de fluido. #stas se pueden clasificar en dos diferentes maquinas que son las bombas y las turbinas, en este caso estudiaremos la clasificaci"n de cada una de ellas y el funcionamiento y composici"n de cada una de ellas para poder abordar el tema de selecci"n de una turbomaquina cuyo tema es el principal que se desea abordar e este estudio, cuya selecci"n se debe basar en diferentes aspectos que abordaremos en este estudio, que son los aspectos econ"micos que se requieren as tambi!n como tama%o requerido, el trabajo a realizar, el tipo de fruido para transportar que se requiere utilizar, as tambi!n como el rendimiento requerido, entre otros aspectos que se abordaran en nuestro estudio de las turbomaquinas.
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Justificación 'e efectu" la elaboraci"n de un te(to informativo sobre la selecci"n de turbomaquinaria, de acuerdo a las caractersticas en !l descritas, as como tambi!n sus aplicaciones, costos, tipos de necesidades que se tengan y mantenimiento de acuerdo a los tipos de fluidos para los cuales se utilicen. 'e hizo una profunda investigaci"n, obteniendo mucha informaci"n de libros, documentos, artculos, incluso tambi!n sitios en internet, los cuales nos ayudaron para el desarrollo de este trabajo. 'e hizo esto para tener más informaci"n sobre lo que es la selecci"n de turbomaquinaria, esto para aplicarlo en un futuro, en un respectivo trabajo o en un posterior proyecto de investigaci"n o proyecto práctico, en el cual cu al se requiera esta informaci"n. Puede tener muchos usos para aplicaci"n o consulta de otros compa%eros estudiantes, maestros o interesados en la materia )ratamos de e(tender el te(to a manera de abarcar todo tipo de aspectos que se requieran a la hora de seleccionar la turbomaquinaria necesaria, desde las definiciones principales de bombas, sus partes, aplicaci"n de acuerdo a los fluidos* tambi!n acerca de turbinas, sus clasificaciones, aplicaciones, aplicaci ones, desgastes y cuestiones econ"micas* y por +ltimo investigamos sobre los tipos de motores usados para estas turbinas, clasificaci"n y criterios de selecci"n.
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Objetivo #ste trabajo se hizo para recabar informaci"n acerca de la selecci"n de turbomaquinaria. 'e hizo una profunda investigaci"n para informarnos sobre las capacidades, descripciones, dimensiones, aplicaciones y aspectos econ"micos de diversos tipos de turbomaquinaria aplicada en la industria, esto para tener una mayor visi"n y un mayor conocimiento para cuando se tenga la necesidad de aplicar estos elementos. As tambi!n buscamos establecer un orden y e(plicaci"n, mediante gráficas, imágenes y te(tos, para dar un mayor entendimiento al lector sobre este amplio campo laboral y de investigaci"n. #n lo personal buscamos tambi!n nosotros informarnos sobre este tema por nuestro amplio inter!s en la materia.
Contenido /)023CC4/ ............................................................................................................................. 1 5ustificaci"n ................................................................................................................................... & bjetivo ......................................................................................................................................... 2#6/C4/ 7 C/C#P)' ............................................................................................................. 8 $a ecuaci"n de #uler .................................................................................................................. 8 C$A'6CAC4/ 2# )309:;<3/A' ............................................................................................ 8 )urbomáquinas )!rmicas ........................................................................................................... 8 )urbomáquinas =idráulicas ........................................................................................................ 8 )urbomáquinas generadoras.................................................................................................... 1> )urbomáquinas motoras, ......................................................................................................... 1> )urbomáquinas de flujo a(ial ................................................................................................... 1> )ubomáquinas de flujo radial ................................................................................................... 1> )urbomáquinas de flujo mi(to ................................................................................................. 1> 9:9A' ...................................................................................................................................... 11 2efiniciones y nomenclatura .................................................................................................... 1& Clasificaci"n de las bombas por el tipo de material de sus partes ...................... ...................... ...................... . 1 Carcasa .................................................................................................................................... 1 )ipos de carcasa ....................................................................................................................... 1 Carcasa tipo voluta ............................................................................................................... 1 Carcasa tipo difusor .............................................................................................................. 1 Según su construcción .......................................................................................................... 1Según sus características de succión ..................................................................................... 1-
mpulsores ............................................................................................................................... 1? Clasificaci"n de impulsores ...................................................................................................... 1? Anillo de desgaste .................................................................................................................... 1? #stoperos. ................................................................................................................................ 1@ Curvas caractersticas de una bomba ....................................................................................... 1@ Curva de demanda del sistema................................................................................................. 1@ 6uncionamiento de bombas en serie ........................................................................................ 1 6uncionamiento de bombas en paralelo........................ ...................... ......................... ............ 1B /P'= ........................................................................................................................................ 18 -
9ombas de desplazamiento positivo ........................................................................................ 18 9ombas dinámicas. ................................................................................................................. &> 9omba de flujo radial ............................................................................................................... &> 9omba de flujo a(ial. ................................................................................................................ &> 9omba de flujo mi(ta. .............................................................................................................. &> 9omba centrfuga .................................................................................................................... &> 9ombas de engranaje............................................................................................................... &1 9ombas de engranajes e(ternos ........................................................................................... && 9ombas de engranajes e(ternos de alta presi"nD .................... ......................... ..................... & 9ombas de engranajes internos ........................................................................................... & 6uncionamiento ................................................................................................................... & 0endimiento de la bomba de engranaje ............................................................................... & 0endimiento volum!trico de la bomba de engranaje ....................... ......................... ............ & 0endimiento mecánico de la bomba de engranaje ............................................................... &9omba de Paletas .................................................................................................................... &Caractersticas principales .................................................................................................... &? 0egulaci"n del volumen de trabajo ...................................................................................... &@ Aplicaciones y ventajas de las bombas de paletas, ventajas principales de las bombas de paletas ................................................................................................................................. &@ Aplicaciones ......................................................................................................................... &@ 9ombas 2e Pist"n .................................................................................................................... & Clasificaci"n ......................................................................................................................... & 9ombas neumáticas de pist"n .............................................................................................. &B Principio de funcionamiento................................................................................................. &B $as bombas de pist"n a(iales con plato inclinado giratorio ...................... ......................... .... &B 6luidos manejados ................................................................................................................... &8 Eiscosidad ............................................................................................................................ &8 $quidos volátiles .................................................................................................................. > Productos qumicos .............................................................................................................. > 'olidos en suspensi"n .......................................................................................................... > 'elecci"n de bombas ................................................................................................................ 1 'elecci"n del fabricante ....................................................................................................... 1 ?
2atos para el fabricante. ...................................................................................................... 1 2iagrama esquemático ......................................................................................................... & Capacidad ............................................................................................................................ & Cálculo de la columna total .................................................................................................. & )309/A' .................................................................................................................................... & 'eg+n el grado de reacci"n ...................................................................................................... 'eg+n la direcci"n del flujo en el rodete ................................................................................... 'eg+n el n+mero especfico de revoluciones ............................................................................ )309/A' 2# ACC4/ 2# :P3$' ...................................................................................... Caractersticas generales ...................................................................................................... 6uncionamiento =idráulico .................................................................................................. ? Componentes principales de las turbinas de acci"nD..................... ......................... ............... ? Caractersticas principales de las turbinas de acci"nD ....................... ......................... ............ @ 2'#F :#C;/C 2# )309/A' P#$)/ ............................................................................... $a velocidad del chorro G C1H. ............................................................................................... B #l diámetro del chorro GdH. ................................................................................................... B #l n+mero de chorros o de inyectores GIH ............................................................................. 8 #l diámetro del rodete G 2 H. ................................................................................................ -> $a velocidad especfica G n' H ................................................................................................ -1 /+mero de álabes G/aH......................................................................................................... -1 :edidas de los álabes .......................................................................................................... -& $os pernos de fijaci"n de los álabes. ..................................................................................... -& )309/A' 2# 0#ACC/ .......................................................................................................... -)309/A' 2# 0#ACC/ 2# 6$35 2AJ/A$ ..................................................................... -)309/A' 2# 0#ACC/ 2# 6$35 AKA$ ............................................................................. - )urbinas Laplan .................................................................................................................... -B AP$CAC4/ 2# $A #C3AC/ 2# #3$#0 A $A' )309/A' ........................................................ ?> )309/A' P#$)/ ............................................................................................................... ?> )309/A' 60A/C', LAP$A/ ................................................................................................ ?& '#$#CC4/ 2# )309/A' ......................................................................................................... ?? #l n+mero de revoluciones del generador GnH ....................................................................... ?? #l generador sncrono .......................................................................................................... ?? @
)309/A' 2# EAP0 ............................................................................................................... ?B Clasificaci"n ......................................................................................................................... ?8 $as turbinas de nocondensaci"n.......................................................................................... @> $as turbinas condensadoras ................................................................................................. @> $as turbinas de recalentamiento .......................................................................................... @> $as turbinas de e(tracci"n .................................................................................................... @> )urbina de vapor para generaci"n de electricidad ................................................................ @> Componentes básicos de una central termoel!ctrica....................... ......................... ............ @1 )urbinas Con #tapas 2e Eelocidad GCurtisH ........................................................................... @& )urbinas con etapas de Presi"n ............................................................................................ @ )urbinas 0ateauD .................................................................................................................. @ )urbinas de reacci"n GParsonsHD ............................................................................................ @)309/A' 2# JA' .................................................................................................................... @? )ipos de turbina de gas ........................................................................................................ @@ Clasificacion de las turbinas a gas ......................................................................................... @@ )urbina de gas aeroderivadasD .............................................................................................. @@ )urbina de gas industrialD ..................................................................................................... @ )urbina de cámara de combusti"n tipo siloD ......................................................................... @ )urbina de cámara de combusti"n anularD............................................................................ @ )urbina de cámara de combusti"n tuboanularD .................................................................... @ )urbina monoejeD ................................................................................................................. @B )urbina multiejeD .................................................................................................................. @B Partes de una turbina de gas ................................................................................................ @B CompresorD .......................................................................................................................... @8 Cámara de Combusti"nD ....................................................................................................... > )urbina de #(pansi"nD .......................................................................................................... > Carcasa ................................................................................................................................ 1 :)0#' .................................................................................................................................... & :otor de gasolina Gmotor tto de cuatro tiemposH .................................................................. & 2iagrama te"rico del motor de cuatro tiempos ........................................................................ ? Ciclo real .................................................................................................................................. @ Primer tiempo. Admisi"n ......................................................................................................... @
'egundo tiempo. Compresi"n .................................................................................................. @ )ercer tiempo, )rabajo o e(pansi"n ......................................................................................... Cuarto tiempo. #scape ......................................................................................................... :)0 2#'#$ ......................................................................................................................... A P # / 2 C #' ............................................................................................................................ 8 APM/2C# D Propiedades del agua a 1atm de presi"n .............................................................. 8 APM/2C# D Presi"n de vapor en funci"n de la temperatura ................................................... B> AP#/2C# D 'elecciones y designaciones de materiales seg+n el nstituto de =idráulica . ....... B1 AP#/2C# ED Capacidades de una bomba de !mbolo horizontal horiz ontal d+ple( tpica ..................... .... B1 AP#/2C# ED :ateriales para bombear varios lquidos ..................... ......................... ............... B& AP#/2C# ED #cuaci"n de #uler de las turbobombas. .............................................................. B APM/2C# ED Curvas caractersticas de un motor diesel y tipos de inyecci"n....................... .... BB C/C$3'4/ ............................................................................................................................... 899$J0A6NA .............................................................................................................................. 8?
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D!INICIÓN " CONC#TOS Fluidos que transportan cada bomba y recomendaciones de seguridad Turbomáquinas son aquellas que absorben energía de un fluido y restituyen generalmente energía mecánica en el eje, como una turbina de vapor, una turbina hidráulica o bien absorben energía mecánica en el eje y restituyen energía a un fluido como una bomba, un ventilador. En ellas el intercambio de energía es debido a la variación del momento cinético del fluido en su paso por el órgano intercambiador de energía, dotado de movimiento rotativo, que se llama rodete. La ecuación de Euler o ecuación fundamental de las turbomáquinas, basada en el teorema del momento cinético, es básica para el estudio de estas máquinas. El fluido puede ser un líquido o un gas y el órgano, intercambiador de energía mecánica y de fluido Son máquinas hidráulicas en las que sobresale la importancia de los cambios de dirección de flujo y la magnitud de velocidad. El intercambio de energía entre el rodete y el fluido está dado por la ecuación de transferencia de energía de Euler:
La ecuación de Euler es
la ecuación fundamental que describe el comportamiento de una turbomáquina bajo la aproximación de flujo unidimensional.
C$%SI!IC%CIÓN D TUR&O'()UIN%S Para las turbomáquinas puede haber varias clasificaciones
Turbomáquinas Térmicas.- cuando el fluido experimenta una variación de la densidad en su paso a través de la máquina, es decir el fluido se considera compresible. Ejemplo: Turbinas de Vapor, Turbinas de Gas, Compresores.
Turbomáquinas Hidráulicas.- su diseño se hace sin tener en cuenta la variación de la densidad o del volumen específico a través de la máquina. En estas turbomáquinas el fluido de trabajo no necesariamente es agua aunque etimológicamente esto signifique la palabra
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hidráulica, ni siquiera tiene que ser un líquido; el fluido tiene que ser incompresible. Ejemplo: una bomba, una turbina hidráulica, un ventilador.
Turbomáquinas generadoras.-
son las turbomáquinas que absorben energía mecánica y restituyen energía al fluido. Cuando el fluido que manejas es líquido, reciben el nombre de bombas; mientras que, si el fluido es gaseoso, reciben el nombre de ventiladores.
Turbomáquinas motoras,
son aquellas que absorben energía del fluido y restituyen energía mecánica. Se denominan en general, turbinas independientemente del fluido que manejan. En ellas el fluido cede energía a la máquina disminuyendo la energía del fluido en su paso por la máquina. Producen potencia expandiendo el fluido hasta una presión mas baja. Ejemplo: Turbinas de Vapor, Turbinas de Gas y Turbinas Hidráulicas. Basada en la dirección que tiene el flujo a su paso por el rotor se tienen máquinas de flujo radial y máquinas de flujo axial; algunas tienen los dos flujos llamadas de flujo mixto (como la Francis mixta) y estas se clasifican entre las radiales, aunque no impliquen al flujo radial los elementos del flujo axial. El grupo de flujo radial puede subdividirse en flujo hacia adentro y flujo hacia afuera.
Turbomáquinas de flujo axial.- cuando la trayectoria del flujo que atraviesa la máquina es paralela al eje de rotación.
Tubomáquinas de flujo radial.-
cuando la trayectoria del flujo está en un plano perpendicular al eje de rotación. Ejemplo: la bomba centrífuga, el ventilador o soplador centrífugo, el compresor centrífugo.
Turbomáquinas de flujo mixto .- cuando en la dirección del flujo en la salida del rotor intervienen las componentes axial y radial de la velocidad. Según el grado de reacción, están las máquinas de impulso y por otro lado las de reacción. Para una clasificación es importante considerar la naturaleza del fluido con que trabaja la máquina, si es compresible o incompresible.
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&O'&%S Las bombas son máquinas hidráulicas donde se transfiere energía del rotor al fluido, produciendo una conversión de energía cinética de presión. Por su parte las bombas centrífugas, también denominadas rotativas, tienen un rotor de paletas giratorio que está sumergido en el líquido. El líquido entra en la bomba cerca del eje del rotor, y las paletas lo arrastran hacia sus extremos a alta presión
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Definiciones y nomenclatura
Las partes constitutivas de una bomba centrífuga dependen de su construcción y tipo. Por esta razón existe una innumerable cantidad de piezas:
1) Carcasa 2) Impulsor 3) Propela 4) Flecha 5) Anillo de desgaste de la carcasa 6) Anillo de desgaste del impulsor 7) Tapa de succión 8) Tapa del estopero 9) Empaque 10) Camisa de flecha 11) Tazón de descarga 12) Balero (interior) 13) Prensaestopas 14) Balero (exterior) 15) Soporte de baleros 16) Tuerca de la camisa 17) Tuerca del balero 18) Tuerca del impulsor 19) Anillo de desgaste de la cabeza de succión 20) Anillo de la tapa del estopero 21) Jaula de sello 22) Alojamiento de balero (interior) 23) Cuña del impulsor
24) Alojamiento de balero (exterior) 25) Cuña de la propela 26) Tapa de balero (exterior) 27) Buje del balero 28) Deflector 29) Cople (mitad motor) 30) Cople (mitad bomba) 31) Cuña del cople 32) Buje del cople 33) Tuerca del cople 34) Perno del cople 35) Tapa de registro 36) Collarín de la flecha 37) Collarín axial 38) Espaciador de balero 39) Tubo de protección de la flecha 40) Sello 41) Tazón de succión 42) Tubo de columna 43) Chumacera de conexión 44) Tapa de balero 45) Grasera de copa 46) Tubería de sello
El tamaño nominal de una bomba centrífuga se determina generalmente por el diámetro interior de la brida de descarga. Sin embargo, esta designación muchas veces no es suficiente puesto que no determina el gasto que puede proporcionar una bomba, ya que éste dependerá de la velocidad de rotación así como del diámetro del impulsor. Conforme a ello suelen usarse designaciones tales como la que se muestra al final de esta página. El sentido de rotación de una bomba centrífuga puede ser: a) En el sentido de las manecillas del reloj. b) En el sentido contrario a las manecillas del reloj.
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El punto de observación debe ser en una bomba horizontal cuando el observador está colocado en el lado del cople de la bomba. Lo mismo sucede en las bombas verticales en las cuales el observador debe colocarse mirando hacia abajo en la flecha superior de la bomba.
Clasificación de las bombas por el tipo de material de sus partes.partes .- las designaciones del material frecuentemente usadas para bombas son: 1) 2) 3) 4) 5)
Bombas estándar (fierro y bronce) Bomba de fierro Bombas de bronce Bombas de acero con partes internas de fierro o acero inoxidable Bombas de acero inoxidable
Las bombas centrífugas pueden construirse también de otros metales y aleación como porcelana, vidrio, hules, etc. Las condiciones de servicio y la naturaleza del líquido manejado determinarán el tipo de material que se usará. Para bombas de alimentación de agua potable la construcción más normal es la estándar de fierro y bronce.
Carcasa La función de la carcasa en una bomba centrífuga es convertir la energía de velocidad impartida al líquido por el impulsor en energía de presión. Esto se lleva a cabo mediante reducción de la velocidad por un aumento gradual del área.
Tipos de carcasa Carcasa tipo voluta .- es llamada así por su forma de espiral. Su área es incrementada a lo largo de los 360° que rodean al impulsor hasta llegar a la garganta de la carcasa donde conecta con la descarga. Debido a que ésta no es simétrica, existe un desbalanceo de presiones, lo cual origina una fuerza radial muy apreciable sobre todo si la bomba se trabaja con gastos alejados y menores al gasto del punto de máxima eficiencia.
Carcasa tipo difusor .- consiste en una serie de aspas fijas que además de hacer el cambio de energía de velocidad a presión, guían el líquido de un impulsor a otro. Su aplicación más importante es en las bombas de pozo
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profundo, que son bombas de varios pasos con impulsores en serie.
Según su construcción .- las carcasas pueden ser de una sola pieza o partidas. Las carcasa de una sola pieza, deben tener una parte abierta por donde entra el líquido. Sin embargo para poder introducir el impulsor, es necesario que la carcasa esté partida y ello puede ser a través de un plano vertical, horizontal o inclinado. Las carcasas que están partidas por un plano horizontal tienen la gran ventaja de que se pueden inspeccionar las partes internas sin tener que quitar las tuberías, y se designan como bombas de caja partida. Se usan para abastecimiento de agua en grandes cantidades.
Según sus características de succión , las carcasas pueden ser de simple o doble succión, correspondiendo a las características del impulsor que succionará el agua por uno o ambos extremos. Pero por lo que refiere propiamente a la carcasa, se puede tener succión lateral superior e inferior. Las ventajas de las distintas disposiciones dependen del uso específico a que se vaya a destinar la bomba centrífuga y depende, principalmente de las necesidades y colocación de las tuberías de succión y descarga.
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Impulsores El impulsor es el corazón de las bombas centrífuga. Recibe el líquido y le imparte una velocidad de la cual depende la carga producida por la bomba.
Clasificación de impulsores
Tipos de succión
Forma de las aspas
Dirección del flujo
'imple succi"n 2oble succi"n Aspas curvas radiales Aspas tipo 6rancis Aspas para flujo mi(to Aspas tipo propela
0adial :i(to A(ial
En un impulsor de simple succión el líquido entra por un solo extremo, en tanto que el de doble succión podría considerarse como uno formado por dos de simple succión colocados espalda con espalda.
Anillo de desgaste. Su función es tener un elemento fácil y barato de remover en aquellas partes en donde debido a las cerradas holguras que se producen entre el impulsor que gira y la carcasa fija, la presencia del desgaste es casi segura. En esta forma en lugar de tener que cambiar todo el impulsor o toda la carcasa, solamente se quitan los anillos, los cuales pueden estar montados a presión en la carcasa o en el impulsor, o en ambos.
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Estoperos.-- la función de éstos es evitar el flujo hacia afuera del líquido bombeado a través Estoperos. del orificio por donde pasa la flecha de la bomba, y el flujo de aire hacia el interior de la bomba. El estopero es una cavidad concéntrica con la flecha donde van colocados los empaque; de éstos existe diversos tipos. Prácticamente en todos los estoperos se tendrá que ejercer una cierta presión para contrarrestar o equilibrar la que ya existe en el interior de la bomba. . Debido a la misma presión, se origina en la flecha una fricción bastante considerable con el consabido aumento de temperatura, por lo cual deberá procurarse un medio de lubricación y enfriamiento.
Curvas características de una bomba El funcionamiento de una bomba centrífuga se representa por tres curvas características, las cuales son la carga (H), la potencia al freno (N) y el rendimiento ( ) en función del caudal (Q), para una velocidad de rotación del motor constante (n). Los fabricantes de las bombas dan estas curvas, basadas en el agua, superpuestas en una sola hoja. En la figura 2, se muestran la forma que tiene cada una de las curvas mencionadas para una bomba centrifuga radial, también se muestra el punto de máximo rendimiento (PMR), para esta bomba.
Curva de demanda del sistema La curva de demanda del sistema es la gráfica de la carga necesaria en función del caudal para el sistema considerado. Es importante diferenciar esta curva de la anterior: en la curva característica se grafica la carga disponible de la bomba, la cual disminuye con el caudal; mientras que en la curva de demanda, la carga necesaria aumenta con el caudal. La curva de demanda del sistema se construye aplicando la ecuación de Bernoulli al sistema considerado, entre los puntos E y S, como se muestra en la figura 3, y despejando la carga necesaria para varios valores de caudal.
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Toda instalación tiene una válvula de regulación de caudal; si se cambia la apertura de esta válvula, se estará modificando su pérdida de carga y por ende también la curva del sistema, pudiéndose graficar una curva del sistema para cada posición de la válvula de regulación, en la figura 3, se tiene una curva (a) con la válvula de regulación totalmente abierta y una curva (b) con la válvula de regulación parcialmente abierta. Se puede observar que, a medida que se cierra la válvula, aumenta la carga necesaria, esto se debe al aumento de la pérdida de carga.
Funcionamiento de bombas en serie 'e dice que dos bombas funcionan en serie cuando la totalidad del lquido que sale de una bomba entra en la siguiente
'e puede observar que el caudal que circula por cada bomba es el mismo, mientras que la carga total recibida por el lquido es la suma de las cargas entregadas por las bombasD < ) O < A O < 9
=) O =A =9
A partir de las ecuaciones anteriores se puede obtener la curva caracterstica para el funcionamiento en serie.
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#sta curva caracterstica se puede construir de forma te"rica a partir de los valores de cada bomba funcionando individualmente o e(perimentalmente midiendo en la instalaci"n el aumento de presi"n ocasionado por el funcionamiento de ambas bombas en serie.
Funcionamiento de bombas en paralelo 'e dice que dos bombas funcionan en paralelo cuando el caudal total de lquido que circula en el sistema se divide en dos partes, entrando cada una de ellas a una bomba y luego se vuelven v uelven a unir.
'e puede observar que el caudal total es la suma de los caudales que circulan por las bombas, efectuándose esta divisi"n de caudal de tal forma que la carga entregada por cada bomba sea la mismaD < ) O < A < 9 =) O =A O =9 A partir de las ecuaciones anteriores se puede obtener la curva caracterstica para el funcionamiento en paralelo.
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#sta curva caracterstica se puede construir de forma te"rica a partir de los valores de cada bomba funcionando individualmente o e(perimentalmente midiendo en la instalaci"n el aumento de presi"n ocasionado por el funcionamiento de ambas bombas en paralelo. =aciendo un aparte en el estudio de la mecánica de los fluidos, encontramos un concepto estadstico que debe manejarse y comprenderse comprenderse bien Gsobre todo en lo referente referente al nforme de 'ntesisH y se refiere al significado significado de la palabra reproducibilidad, reproducibilidad, el cual representa representa la má(ima variaci"n permisible en los resultados obtenidos en la aplicaci"n de un m!todo de análisis determinado, aplicado por diferentes operadores en laboratorios diferentes y en fechas diferentes. #s conveniente entonces, que el estudiante conozca y maneje algunas herramientas básicas de estadsticas como son la media media aritm!tica y la desviaci"n estándar de un conjunto conjunto de datos yQo resultados num!ricos.
NPSH Es adecuado utilizar un parámetro de flujo llamado carga de aspiración neta positiva (NPSH) que se define como la diferencia entre la carga de presión de estancamiento en la entrada de la bomba y la carga de la presión de vapor Carga de aspiración neta positiva
NPSH =
+ ρ
entrada de la bomba
− ρ
Bombas de desplazamiento positivo .-
el fluido se aspira denrto de un volumen en expansión y luego se expulsa cuando ese volumen es muy diferente entre los diversos diseños Por ejemplo la bomba peristática de tubo flexible, en las que pequeñas ruedas comprimen un tubo, lo cual empuja hacia adelante al fluido. Las bombas de desplazamiento positivo son ideales cuando se necesita alta presión, como en el bombeo de líquidos viscosos o mezclas, lodos o suspensiones espesas, y donde se necesita medir o despachar cantidades de líquido precisas, como en las aplicaciones médicas.
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Bombas dinámicas.- existen tres tipos principales de bombas dinámicas que cuentan con
álabes rotatorios, las cuales se llaman álabes de rueda móvil o álabes del rotor. Estos elementos imparten una cantidad de movimiento al fluido, por esta razón se les llama algunas veces bombas rotodinámicas o simplemente, bombas rotatorias. Las bombas rotatorias se clasifican por la manera en la cual el flujo sale de la bomba: flujo radial, flujo axial y flujo mixto.
Bomba de flujo radial - el fluido entra de manera axial en el centro de la bomba, pero se .
descargar de manera radial a lo largo del radio exterior de la carcasa de la bomba.
Bomba de flujo axial. - el fluido entra y sale axialmente, en general a lo largo de la parte posterior de la bomba debido al bloqueo de la flecha, motor y núcleo.
Bomba de flujo mixta.- es
considerada intermedia entre cnetrífuga y axial, ya que el flujo entra de forma axial, no necesariamente en el centro, pero se descarga a un ángulo entre las direcciones radial axial.
Bomba centrífuga
Al igual que cualquier otra bomba sirve para producir una ganancia en carga estática en un fluido, Imprime una energía a un fluido procedente de una energía mecánica que se ha puesto en su eje por medio de un motor. La bomba centrífuga es una turbomáquina de tipo radial con flujo de dentro hacia afuera presentando un área de paso de agua relativamente reducida en relación con el diámetro del rotor o impulsor, con objeto de obligar al fluido a hacer un recorrido radial largo y aumentar la acción centrífuga a fin de incrementar la carga estática que es lo que generalmente se pretende con este tipo de bomba, aunque el gasto en parte se sacrifique; por lo tanto la velocidad específica tendrá valores relativamente bajos o medios. La bomba centrífuga, como máquina radial que es, encuentra lógica aplicación en cargas relativamente altas y medianas, con uno o varios pasos.
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Las bombas centrífugas pueden ser de succión simple o de doble succión. En las primeras, el agua entra en el ojo del impulsor por un solo lado de éste. Cuando se requiere admitir más caudal sin aumentar el diámetro del ojo de entrada, lo que reduciría el recorrido radia y la carga, se dispone la doble succión o entrada por los dos lados del impulsor. El área de paso a través de los álabes debe aumentar, lo cual se consigue separando más los discos laterales que sirven de cubierta a los álabes.
Bombas de engranaje Son aquellas que absorben energía de un fluido y restituyen generalmente energía mecánica en el eje, como una turbina de vapor, una turbina hidráulica o bien absorben energía mecánica en el eje y restituyen energía a un fluido como una bomba, un ventilador. En ellas el intercambio de energía es debido a la variación del momento cinético del fluido en su paso por el órgano intercambiador de energía, dotado de movimiento rotativo, que se llama rodete. La ecuación de Euler o ecuación fundamental de las turbomáquinas, basada en el teorema del momento cinético, es básica para el estudio de estas máquinas. El fluido puede ser un líquido o un gas y el órgano, intercambiador de energía mecánica y de fluido
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Características • • • • • • •
Reversibles y unidireccionales, versiones con Brida SAE, DIN y Brida Europea. Divisores de caudal rotativo. Cuerpos en aluminio reforzado y en acero. Alto rendimiento y altas temperaturas. Bajo nivel sonoro. Larga duración en condiciones extremas. Excelente versatilidad. Amplio abanico de aplicaciones. Diseño compacto. Alta fiabilidad.
Tipos de bombas de engranajes • • • • •
Bombas de aluminio con rodamientos Bombas de aluminio con cojinetes Bombas de fundición con rodamientos Bombas de fundición con cojinetes Bombas para camiones
&ombas de en*ranajes e+ternos Producen caudal al transportar el fluido entre los dientes de dos engranajes acoplados. Uno de ellos es accionado por el eje de la bomba (motriz), y éste hace girar al otro (libre). Bombas de engranajes externos de baja presión: Lo que sucede es el origen de un vacío en la aspiración cuando se separan los dientes, por el aumento del volumen en la cámara de aspiración. En el mismo momento los dientes se van alejando, llevándose el fluido en la cámara de aspiración. La impulsión se origina en el extremo opuesto de la bomba por la disminución de volumen que tiene lugar al engranar los dientes separados.
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&ombas de en*ranajes e+ternos de alta ,resiónEl tipo de bomba más utilizado son las de engranajes rectos, además de las helicoidales y behelicoidales. En condiciones óptimas estas bombas pueden llegar a dar un 93% de rendimiento volumétrico.
&ombas de en*ranajes internos : Están compuestas por dos engranajes, externo e interno. Tienen uno ó dos dientes menos que el engranaje exterior. Su desgaste es menor por la reducida relación de velocidad existente. Son utilizadas en caudales pequeños y pueden ser de dos tipos: semiluna y gerotor. Este tipo de bomba produce caudal al transportar el fluido entre los dientes de dos engranajes acoplados. Uno de ellos es accionado por el eje de la bomba (motriz), y este hace girar al otro (libre).
!uncionamiento La bomba de engranajes funciona por el principio de desplazamiento; un piñón es impulsado y hace girar al otro en sentido contrario. En la bomba, la cámara de admisión, por la separación de los dientes, en la relación se libera los huecos de dientes. Esta depresión provoca la aspiración del líquido desde el depósito. Los dientes llenados transportan el líquido a lo largo de la pared de la carcasa hacia la cámara de impulsión. En la cámara los piñones que engranan transportan el líquido fuera de los dientes e impiden el retorno del líquido. Por lo tanto el líquido de la cámara tiene que salir hacia el receptor, el volumen del líquido suministrado por revolución se designa como volumen suministrado (cm3/rev).
Rendimiento de la bomba de en*ranaje La operación y eficiencia de la bomba hidráulica, en su función básica de obtener una presión determinada, a un número también determinado de revoluciones por minuto se define mediante tres rendimientos a saber:
Rendimiento volum.trico de la bomba de en*ranaje El rendimiento volumétrico de la bomba es el cociente que se obtiene al dividir el caudal de líquido que comprime La bomba y el que teóricamente debería comprimir. Dicho en otros términos el rendimiento volumétrico expresa las fugas de líquido que hay en la bomba durante el proceso de compresión. El rendimiento volumétrico es un factor de la bomba muy importante, ya que a partir de él se puede analizar la capacidad de diseño y el estado de desgaste en que se encuentra una bomba. El rendimiento volumétrico es afectado también por la presión del fluido hidráulico que se transporta y por la temperatura del mismo.
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Rendimiento mec/nico de la bomba de en*ranaje El rendimiento mecánico mide las perdidas de energía mecánica que se producen en la bomba, causadas por el rozamiento y la fricción de los mecanismos internos. En términos generales se puede afirmar que una bomba de bajo rendimiento mecánico es una bomba de desgaste acelerado. Rendimiento total o global de la bomba de engranaje El rendimiento total o global es el producto de los rendimientos volumétrico y mecánico. Se llama total porque mide la eficiencia general de la bomba en su función de bombear líquido a presión, con el aporte mínimo de energía al eje de la bomba. Así pues el rendimiento total se expresa como el consumo de energía necesario para producir la presión hidráulica nominal del sistema.
Bomba de Paletas Tienen un conjunto de aletas con cinemática radial. Las aletas deslizan u oscilan en un cilindro hueco con ranuras radiales en el rotor. Respecto al eje del cuerpo de la bomba está colocado de forma excéntrica el rotor, respecto al que durante la rotación las aletas realizan movimientos alternativos o de vaivén. En los extremos de la bomba de paletas se aprietan en el interior el estator y las paletas deslizan por él. La cámara de trabajo es llenada entre dos paletas contiguas, el estator y el rotor. Durante el giro rotor el volumen de producto aumenta hasta alcanzar un valor máximo que tras alcanzar este se cierra para trasladar el producto a la cavidad de impulsión de la bomba A la par se inicia el desalojo del líquido de la cámara de trabajo en una cantidad igual a su volumen útil. No tienen el mismo grado de hermeticidad como otras bombas rotativas y para mejorar el grado de hermeticidad se puede realizar elevando el número de paletas. El accionamiento accionami ento se efectúa por medio medi o de un eje ej e estriado que engrana con el estriado interior del rotor. Hay diversos diseños para conseguir el contacto entre la paleta y el anillo; en unos se utiliza la propia fuerza centrífuga centrífuga que les imprime el giro del rotor, en estos modelos se requiere una velocidad mínima de giro para garantizar el correcto apoyo de la paleta sobre el anillo; en otros modelos esta fuerza centrífuga se refuerza con unos muelles colocados entre la paleta y su alojamiento en el rotor, esto disminuye la velocidad mínima necesaria para el apoyo; apo yo; otros ot ros modelos model os utilizan uti lizan una reducida re ducida presión hidráulica para empujar la paleta. Las bombas de paletas son relativamente pequeñas en función de las potencias que desarrollan y su tolerancia al contaminante es bastante aceptable. El aceite entra por el lado izquierdo, donde es recogido por las paletas que se abren por la fuerza centrifuga y es impulsado hacia el lado de presión por las mismas hasta incorporarse a la salida de presión. unas ranuras especiales en el rotor, conectan el lado de presión con la parte inferior de las paletas para ayudar a la fuerza centrifuga a impulsarlas hacia fuera. La aspiración se produce al incrementar el volumen de la cámara durante el giro.
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Cuanto menores sean las tolerancias entre el extremo de la paleta y el anillo y entre estas y las placas de presión, mejor será el rendimiento de la bomba. De todas formas se ha de mantener una cierta tolerancia en las zonas de rozamiento, por ello es importante que la fuerza que la paleta ejerce sobre el anillo no sea excesiva ya que entonces se rompería la película de lubricante y se produciría contacto entre el extremo de la paleta y el anillo. Las lumbreras de entrada y salida del aceite están situadas en los laterales del rotor y a su lado podemos observar las ranuras que dan presión al fondo de las paletas.
Caracter0sticass ,rinci,ales Caracter0stica En la gran variedad de las bombas de paletas encontramos las siguientes características: Las bombas de paletas son usadas en instalaciones con una presión máxima de 200 bar. Un caudal uniforme (libre de pulsos) y un bajo nivel de ruido. El anillo estator es de forma circular y excéntrico con respecto al rotor. Esta excentricidad determina el desplazamiento (caudal). Cuando la excentricidad sea cero, no existe un caudal, por lo tanto, no se entregará líquido al sistema. Esto permite regular el caudal de las bombas de paletas.
$as bombas de paletas constan de varias partes
Anillo excéntrico. Rotor. Paletas. Tapas o placas de extremo.
Las bombas de paletas son relativamente pequeñas en función de las potencias que desarrollan y su tolerancia al contaminante es bastante aceptable.
Abertura de entrada. Abertura de descarga. Lumbrera de aspiración. Lumbrera de impulsión. Distancia entre los ejes del rotor y estator.
La vida útil de este tipo de bombas es muy grande, siempre y cuando se haga periódicamente una revisión y esto por la siguiente razón: Las paletas son la parte delicada en este tipo de bombas. Cuando ellas permanecen paradas por un tiempo prolongado, las paletas pueden pegarse dentro de sus ranuras de alojamiento.
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Estas adherencias se deben a los residuos de los productos transportados y como consecuencia la bomba no trabajará. Para garantizar otra vez un buen funcionamiento hay que limpiar las piezas móviles y verificar que las paletas se deslicen libremente en sus guías.
Re*ulación del volumen de trabajo Las bombas de paletas admiten la posibilidad de regular su volumen de trabajo, modificando la excentricidad del rotor respecto al estator. Si disminuye la excentricidad, se reduce el suministro de la bomba, manteniendo invariable el número de revoluciones, y a la inversa, pero para eso se requiere que en la construcción de la bomba se prevea esta posibilidad, mediante el dispositivo adecuado.
%,licaciones 1 ventajas de las bombas de ,aletas2 ,aletas2 ventajas ventajas ,rinci,ales de de las bombas de de ,aletas
Algunas de sus principales ventajas son:
Sentido de flujo del fluido independiente del sentido de rotación del eje (para las bombas de ejecución especial).
Mantenimiento sencillo y rápido. No hay compresión, empuja, arrastra. Capacidad para transportar productos de alta viscosidad. Bomba volumétrica sea cual sea la velocidad de rotación o la viscosidad. Gran poder de aspiración. Sencillez técnica. Gran vida útil. Volumen de trabajo variable. Válvula de seguridad integrada permitiendo la protección del circuito.
%,licaciones Las bombas de paletas se aplican en diversas industrias y procesos, en las que destacan:
Transferencia de producto en el sector petrolero. Transferencia de productos químicos. Transferencia de productos para la industria textil. Limpieza de aceite en circuitos cerrados. Transferencia de agua en instalaciones de refrigeración. Vaciado de freidoras industriales. Lubricación de máquinas herramientas. Lubricación de equipo ferroviario. Transferencia de productos alimenticios para cría de colmenas. Transferencia de agua en instalaciones de refrigeración. Lubricación de máquinas de obras públicas.
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Bombas De Pistón
Son utilizadas generalmente en la industria por su alto rendimiento y por la facilidad de poder trabajar a una presión superior de 2000 lb/plg2 y tienen una eficiencia volumétrica aproximadamente de 95 a 98%.
Clasificación Debido a la gran variedad de las bombas de pistón, estas pueden clasificarse como: Bombas de pistón radial : Los pistones se deslizan radialmente dentro del cuerpo de la
bomba que gira alrededor de una flecha. Bombas de pistón axial : Los pistones se mueven dentro y fuera sobre un plano paralelo al
eje de la flecha impulsora. Bombas de pistón de barril angular (Vickers): Las cargas para impulsión de la bomba y las
cargas de empuje por la acción del bombeo van soportadas por tres cojinetes de bolas de hilera simple y un cojinete de bolas de hilera doble. Este diseño de bomba ha dado un excelente servicio a la industria aeronáutica.
&ombas de ,istón de ,laca de em,uje an*ular 3Denison4Este tipo de bombas incorpora zapatas de pistón que se deslizan sobre la placa de empuje angular o de leva. La falta de lubricación causará desgaste.
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Características
En la gran variedad de las bombas de pistón encontramos las siguientes características:
• • • • •
Bombeo de productos articulados y productos sensibles a esfuerzos de cizalla. Manejo de frutas y verduras enteras, hojas, rodajas, trozos y dados de fruta. Diseño higiénico. Temperatura de trabajo: 120º C o más según el diseño. Trabajo en vacío.
&ombas neum/ticas de ,istón Las bombas neumáticas de pistón están compuestas de un motor de aire y de una estructura definida “grupo de bombeo”. Las partes fundamentales del motor neumático son el pistón y el dispositivo de válvulas. Este permite la inversión automática del movimiento del pistón. El caudal de una bomba de pistón depende de la cantidad de material que suministra en cada ciclo.
#rinci,io de funcionamien funcionamiento to Estas bombas de pistón funcionan acopladas a un motor neumático alternativo accionado con aire. El movimiento alternativo se repite indefinidamente mientras esté conectado el suministro de aire, independientemente de si la bomba está alimentada con líquido o no. Bombas con pistón oscilante Estas pequeñas unidades son apropiadas para aplicaciones en los más diferentes sectores. La estructura de la bomba exige una instalación en lugares protegidos. Bombas con pistón oscilante Estas pequeñas unidades son apropiadas para aplicaciones en los más diferentes sectores. La estructura de la bomba exige una instalación en lugares protegidos.
$as bombas de ,istón a+iales con ,lato inclinado *iratorio Este tipo de bomba puede trabajar en ambas direcciones. El plato inclinado es movido por el eje y el ángulo del plato determina la carrera del pistón. Las válvulas son necesarias para dirigir el flujo en la dirección correcta.
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Fluidos manejados El fluido manejado por una bomba afecta: 1) La columna y capacidad a las cuales puede operar la unidad 2) La potencia demandada por la bomba. 3) Los materiales de construcción que deben usarse para asegurar una vida satisfactoria de la bomba. En los problemas de bombeo se encuentran varias clases de líquidos: 1) Viscosos 2) Volátiles 3) Químicos 4) Líquidos con sólidos en suspensión
5iscosidad #s una de las dos propiedades que requieren consideraci"n cuando se bombean lquidos viscosos, as como tambi!n la densidad del del lquido. Para los problemas de bombeo, bombeo, la viscosidad puede considerarse como una medida de la fricci"n interna de un lquido, que produce una resistencia al flujo a trav!s de un tubo, válvula, bomba, etc. Aun cuando se usan gran n+mero de unidades de viscosidad diferentes, tambi!n se trabaja com+nmente con tres unidadesD segundos universal 'aybolt G''3H, centistoRes Gviscosidad dinámicaO o centipoises Gviscosidad absolutaH. Cuando un lquido pasa a trav!s de un tubo, el flujo del lquido puede ser laminar o turbulento dependiendo de la velocidad del lquido, diámetro del tubo, viscosidad del lquido y densidad. Para un lquido y un tubo dados, estos cuatro factores están e(presados en funci"n de un n+mero dimensional, conocido como un numero de 0eynolds, y representado por 0. Perdidas por presi"nflujo turbulento. Cuando el n+mero de 0eynolds se encuentra entre los &>>> y los ->>> el procedimiento más conveniente es el de suponer que e(iste flujo turbulento. Para valores mayores de ->>>, el flujo es turbulento para todos los lquidos. Para resolver estos problemasD &8
1H 2etermnese el n+mero de 0eynolds 0eynolds de la ecuaci"nD 0 O1&1>s GlpsH Q dc. &H #ncu!ntrese el factor de fricci"n correspondiente. H 3sando este factor el flujo, densidad, y tama%o del tubo, encu!ntrense las p!rdidas de fricci"n en bgQm& por 1>> m. -H Convi!rtanse estas p!rdidas a las correspondientes a la longitud real del tubo.
$0quidos vol/tiles $a gasolina, Rerosina, nafta, lquidos refrigerantes y similares se clasifican generalmente como volátiles porque vaporizan fácilmente a temperatura y presiones atmosf!ricas normales. 'in embargo cualquier lquido a o cerca de su temperatura de ebullici"n se encuentra en un estado volátil y puede clasificarse como tal, por lo que respecta a su efecto sobre una bomba. #l problema principal que se encuentra para bombear lquidos volátiles es el de la columna de succi"n positiva neta. $a cspn del sistema debe ser igual o mayor que la requerida en al bomba para evitar la vaporizaci"n del lquido en el tubo de succi"n. $a vaporizaci"n en el lado de descarga de la bomba rara vez representa un problema porque la presi"n es generalmente lo bastante alta para producir una temperatura de ebullici"n mucho más alta.
#roductos qu0micos :uchos lquidos ácidos y básicos deben manejarse con toda clase de bombas. Comparados con el agua estos lquidos son frecuentemente más difciles de bombear debido a que corroen o atacn varias partes de la bomba, reduciendo su vida a menos que se tomen precauciones especiales en la construcci"n de la unidad. Jeneralmente hay ocho factores que afectan la elecci"n de los materiales para bombasD temperatura del lquido, columna por paso, presi"n de descarga, factor de carga de la bomba, s"lidos abrasivos en suspensi"n, resistencia a la corrosi"n del metal, acci"n electroqumica y consideraciones estructurales.
Solidos en sus,ensión $os lquidos más difciles de manejar satisfactoriamente en bombas de cualquier clase son quizás aquellos que contienen s"lidos en suspensi"n. #stos lquidos pueden contener agua negras, pulpa de papel, lodos, arena o alimentos de varios tipos. 'in embargo, las numerosas instalaciones de varias clases de bombas que trabajan satisfactoriamente para esos servicios muestran que una selecci"n y aplicaci"n cuidadosas habrán de dar la capacidad y columna deseadas, as como una larga vida de la bomba. Velocidad del líquido. en cualquier instalaci"n de bombas, la velocidad del lquido es
importante desde el punto de vista econ"mico. 3na consideraci"n adicional entra en las instalaciones donde una bomba está manejando un lquido que contenga s"lidos en suspensi"n. #sta es la velocidad de hundimiento o valor de desliz hidráulico necesario para evitar que los s"lidos se depositen fuera del lquido y se acumulen en el fondo del tubo. Al seleccionar la velocidad para los tubos de succi"n y descarga de la bomba, deben cuidarse de que el flujo sea tal que los s"lidos viajen en cerca del centro del tubo. #ste tipo de flujo flujo conserva la fricci"n en el tubo a un mnimo, protege los s"lidos de desintegraci"n en la pared del tubo y reduce el desgaste que causa la abrasi"n del tubo por los s"lidos. $as bombas rotatorias y reciprocantes son >
adecuadas para manejar lquidos que no tengan o casi no tengan cualidades abrasivas, mientras que las bombas centrfugas pueden manejar los tipos más abrasivos de suspensiones. Selección de bomba. $as bombas centrfugas, generalmente las más com+nmente usadas para
manejar pulpa de papel y lquidos similares, desarrollan feneralmente menos columna y entregan menor capacidad con lquidos gruesos que cuando maneja agua pura. Por esta raz"n es generalmente necesario corregir el comportamiento para agua en una bomba antes que se pueda determinar si es o no adecuada para manejar pulpa de papel.
Selección de bombas Probablemente el mayor problema que se encuentra un ingeniera al dise%ar un sistema de bombeo es la elecci"n de la clase, tipo, capacidad, columna y detalles de la bomba o bombas que habrán de usarse en un sistema. =ay tal variedad de bombas +tiles y tatas aplicaciones posibles para cada una de ellas que generalmente es difcil estrechar la elecci"n a una unidad especfica. $as bombas se eligen por un de tres m!todosD 1H #l cliente suministra detalles completos a uno o más fabricantes de las condiciones de bombeo y pide un recomendaci"n y oferta de las unidades que parezcan más apropiadas para la aplicaci"n &H #l comprador efect+a un cálculo completo del sistema de bombeo procediendo luego a elegir una unidad más adecuada de catálogos y graficas de caractersticas. H 'e una combinaci"n de estos dos m!todos para llegar a la selecci"n final.
Selección del fabricante. !ste m!todo se usa para bombas grandes en aplicaciones con condiciones poco usuales y en caso en que el ingeniero no tenga tiempo o no se desee efectuar el mismo la lecci"n de la bomba. $as recomendaciones y ofertas deben evaluarse y compararse, y para hacer esto, se requiere un conocimiento completo del problema de bombeo, los m!ritos relativos de varios dise%os y la l a economa de la instalaci"n.
Datos ,ara el fabricante6 muchos fabricantes tienen formas que puede llenar el ingeniero sin pedir una recomendaci"n, !stos puede ser sumamente +tiles debido a que ayudan a evitar la omisi"n de datos importantes. Cuando se suministran datos a un fabricante, debe tenerse e(tremo cuidado de ver que se den todos los datos concernientes a la instalaci"n. $os datos, cuando no están completos, pueden conducir a una recomendaci"n inadecuada o err"nea debido a que el ingeniero que elige la unidad puede hacer suposiciones falsas. =ay cinco pasas en la elecci"n de cualquier bombaD 1H 3n diagrama de la disposici"n de bomba y tubera &H 2eterminar la capacidad H Calcula la columna total 1
-H #studiar las condiciones del lquido ?H #legir la clase y el tipo
Dia*rama esquem/tico el diagrama debe basarse sobre la aplicaci"n real. =ay que mostrar .-
todas las tuberas, accesorios, válvulas, equipo y otras unidades del sistema. =ay que asegurarse que se incluyan todas las elevaciones verticales. Cuando la tubera es compleja, generalmente es +til un dibujo isom!trico.
Ca,acidad $as condiciones de la aplicaci"n fijan la capacidad requerida* por ejemplo, el má(imo .-
flujo de vapor de la salida de una turbina, as como las condiciones del vapor, determinan la mnima cantidad de agua de enfriamiento necesaria a una temperatura dada.
C/lculo de la columna total como una comprobaci"n, es conveniente someter un diagrama .-
completo del sistema al fabricante cuando se pide una propuesta
TUR&IN%S La turbina es un motor rotativo que convierte en energía mecánica la energía de una corriente de agua, vapor de gas o gas. El elemento básico de la turbina es la rueda o rotor, que cuenta con palas, hélices, cuchillas o cubos colocados alrededor de su circunferencia, de tal forma que el fluido en movimiento produce una fuerza tangencial que impulsa la rueda y la hace girar. Esta energía mecánica se transfiere a través de un eje para proporcionar el movimiento de una máquina, un compresor, un generador eléctrico o una hélice. Las turbinas se clasifican en turbinas hidráulicas o de agua, turbina de vapor y turbinas de combustión. Hoy la mayor parte de la energía eléctrica mundial se produce utilizando generadores movidos por turbinas. En una turbina se pueden distinguir dos partes, el rotor y el estator. El rotor está formado por ruedas de álabes unidas al eje y que constituyen la parte móvil de la turbina. El estator también está formado por álabes, no unidos al eje sino a la carcasa de la turbina.
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Según el grado de reacción Las turbinas se clasifican en turbinas de acción o de impulso y en turbinas de reacción, diferenciándose unas de otras en el modo de transformar la energía del agua. En las turbinas de acción, la presión permanece contante en todo el rodete (presión atmosférica), por lo tanto la altura de presión absorbida por el rodete Hp es nula; y, en consecuencia, el grado de reacción de estas turbinas debe ser igual a cero. En las turbinas de reacción, la presión a la entrada del rodete es mayor que la presión a la salida del mismo, por tanto la altura de presión es diferente de cero. El grado de reacción de estas máquinas se halla comprendido entre cero y uno.
Según la dirección del flujo en el rodete Las turbinas pueden ser de flujo radial, de flujo radio-axial, de flujo axial y de flujo tangencial. En las turbinas de flujo radial las partículas de fluido recorren trayectorias inscrita en un plano perpendicular al eje de la máquina. La velocidad del fluido en ningún punto del rodete tiene componente axial (paralela al eje). Es el caso, por ejemplo, de las turbinas Francis puras. En las turbinas de flujo radio-axial o diagonal las partículas de fluido recorren en el rodete trayectorias situadas en una superficie cónica. La velocidad tiene las tres componentes: radial, axial y tangencial. Por ejemplo en las turbinas Francis. En las turbinas de flujo axial las partículas de fluido recorren en el rodete trayectorias situadas en un cilindro coaxial con el eje de la máquina. La velocidad del fluido en ningún punto del rodete tiene componente radial. Solo tiene dos componentes: axial y periférica (tangencial). Por ejemplo, las turbinas Kaplan y de Hélice. En las turbinas de flujo tangencial, la entrada del flujo es tangente al rodete. Por ejemplo, las turbinas Pelton.
En las figuras se representan las trayectorias de una partícula de fluido que atraviesa el rodete en los cuatro primeros casos:
Clasificación de las turbinas según la dirección del flujo en el rodete.
Según el número específico de revoluciones El número específico de revoluciones es un parámetro importante en el estudio de las turbomáquinas
TURBINAS DE ACCIÓN O DE IMPULSO
Caracter0sticas *enerales Estas máquinas operan bajo la acción de uno o varios chorros libres a alta velocidad. Cada chorro, de diámetro d, se acelera hasta obtener el máximo de velocidad C mediante una tobera externa al rodete de la turbina. El chorro impacta en el álabe, comunicándole una velocidad periférica u y le imparte al rotor un movimiento giratorio alrededor del eje de la turbina.
Rodete de una turbina de acción tipo Pelton mostrando sus principales componentes.
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La característica fundamental de estas máquinas es que si se desprecian los efectos del rozamiento y de la gravedad, entonces, la velocidad relativa del fluido W se mantiene constante a lo largo del álabe. Además, en ningún instante el rodete se encuentra lleno de fluido; la presión atmosférica rodea siempre al rotor y al álabe. Por tanto, la aceleración máxima del flujo se produce en la tobera y no en los álabes.
!uncionamiento 7idr/ulico La energía de presión del agua aumenta a partir de la cámara de carga hacia la tobera, a costa de la energía potencial o altura bruta, que disminuye. La energía cinética permanece constante si el diámetro de la tubería permanece constante. Al llegar a la tobera se tendrá el máximo de energía de presión, la cual será gastada hasta cero (presión manométrica) convirtiéndola totalmente en energía cinética en la tobera. En el rodete, la energía cinética disminuye a lo largo del álabe transformándose en energía útil en el eje de la turbina. La energía de presión permanece constante e igual a la presión atmosférica.
Com,onentes ,rinci,ales de las turbinas de acción-
Partes principales de una turbina Pelton de eje horizontal y un inyector.
• • •
El inyector.- Transforma la energía de presión en energía cinética. Consta de tobera y válvula de aguja. Constituye el distribuidor de las turbinas de impulso. El Servomotor.- Desplaza la aguja del inyector mediante presión de aceite. El Regulador. Controla la posición de la válvula de aguja dentro del inyector.
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• • • • •
El deflector o pantalla deflectora.- Sirve para evitar el golpe de ariete y el embalamiento dela turbina. El mando del deflector. Controla la posición del deflector. El Rodete. Compuesto por el rotor y los álabes de la turbina. Los Alabes, cucharas o cazoletas. El Freno de la turbina.- Sirve para detener al rodete mediante la inyección de un chorro deagua de diámetro 25mm impactando en el dorso de los álabes
Caracter0sticas ,rinci,ales de las turbinas de acciónSe utilizan con cargas hidráulicas relativamente altas pero con caudales relativamente bajos. Por ejemplo, 1 650 m en la C. H. Fully – Suiza, 1 770 m en Reisseck-Austria o Poseen relativa baja velocidad específica, entre 4 m CV y 85 m CV. A menudo emplean ejes horizontales (con 1 ó 2 toberas y son de fácil mantenimiento) pero existen también los de ejes verticales (3 a 6 toberas, para centrales grandes).
Turbina Pelton de eje horizontal con dos inyectores.
Turbina Pelton de eje vertical con seis inyectores Pertenecen a esta clasificación las turbinas PELTON, TURGO y MITCHELL BANKI, etc.
@
Rodete Turgo
Rodete Pelton
Rodete Mitchell Banki
DISEÑO MECÁNICO DE TURBINAS PELTON
$a velocidad del c8orro 3 C946
Donde: He-1 - pérdidas en el inyector. H – altura neta
l di/metro del c8orro 3d46 El caudal que sale de la tobera es:
de donde:
Para CV = 0,97 se obtiene
Para turbinas de un solo chorro el diámetro máximo es d = 0,20 m; de lo contrario hay que dividir el caudal en más chorros.
En general el tamaño del diámetro del chorro está limitado entre
Fuera de estos límites el funcionamiento del álabe es defectuoso.
B
l n:mero de c8orros o de in1ectores 3;4 Cuando d=200mm entonces el caudal debe dividirse en varios chorros de modo que se consiga el número de revoluciones n deseado. Por ejemplo si se desea un “n” grande, el diámetro de la rueda D debe ser pequeño, pues:
Y si por el tamaño y número de cucharas necesarias no caben en el diámetro pequeño entonces se puede probar con dos chorros y si aún no se consigue en el “n” deseado entonces se prueba con tres chorros y así sucesivamente. Por ejemplo, para dos chorros el caudal total se parte en dos:
Q = Q1 + Q2
donde: d- diámetro de un único chorro Como la velocidad C es función de H, entonces C 2
2
Luego: d = d1 + d2
C1 C2
2
Por facilidad constructiva se adopta diámetros iguales, es decir d1 = d2 Finalmente, para dos chorros: d 1 = d2 = d / 2
1/2
= 0,707 d
Y de modo análogo se obtiene: Para 3 chorros: 1/2 d1 = d2 = d3 = d / 3 = 0,577 d Para 4 chorros: 1/2 d1 = d2 = d3 = d4 = d / 4 = 0,5 d Para 6 chorros: 1/2 d1 = … = d6 = d / 6 = 0, 408 d
8
En general:
Otro método Si Z es el número de chorros y Qi es el caudal por cada chorro, el caudal total puede escribirse como:
Por otro lado, el caudal que sale de cada chorro es
de donde:
Para CV = 0,97 entonces
l di/metro del rodete 3 D 46< Lugar geométrico de los centros de los álabes, en donde el chorro es perpendicular a la cuchara. Fórmulas experimentales: experimentales:
H en m, n en rpm, D en m.
Otro método Para funcionamiento óptimo
->
Luego
$a velocidad es,ec0fica 3 nS 4 Para una turbina con varios chorros
nS - número específico de revoluciones de la turbina n’S - número específico de revoluciones de un chorro. Para un solo chorro: Para más de un chorro:
4 n’S 30 30 n’S 70
Para valores de nS altos el número de cucharas es menor y viceversa. nS altos se usa para caudales grandes lo cual exige álabes mayores y por tanto caben menos.
N:mero de /labes 3Na4
También:
Nota.- El número de cucharas debe ser lo suficientemente grande como para captar todo el caudal pero debe tenerse en cuenta la separación que debe existir entre cada cuchara (eo). El valor de eo se establece por tanteo de modo que se cumpla la relación: Parámetros de diseño del espaciamiento entre los álabes
-1
'edidas de los /labes
Fig.
#ar/metros de dise=o de los rodetes #elton Fig. 5.3. Principales dimensiones de los álabes. (Figuras adaptadas de la referencia 4)
Quantz propone: b = 3,75d; h = 3,50 d; e = 1,5d El número de álabes:
Na =
De
/ eo con eo = distancia entre cresta y cresta
h
$os ,ernos de fijación de los /labes6
-&
Deben ser lo más reforzados posibles, si se supone que el rodete para por un momento y que una paleta recibe todo el chorro en choque directo entonces: FX = 1 000 x Q (C1 cos 5° - C1 cos 180°) N
Ejemplo 1 .- Una turbina Pelton trabaja en un salto bruto de 450 m, teniendo su tubería forzada una pérdida de carga de 4 m, caudal 1 m3/s, rendimiento del inyector 0,96; la velocidad de arrastre en el punto nominal del rodete es el 45% de la velocidad absoluta del chorro; la máquina gira a 1000 rpm (50 Hz); la velocidad específica está comprendida entre 22 y 28 rpm, el coeficiente que evalúa las pérdidas en la cazoleta es de 0,84; el ángulo de salida de las cazoletas es 13,3º. Se pide: a) Los diagramas de velocidades a la entrada y salida de la cazoleta de una turbina Pelton, en los puntos situados en el eje del chorro en el instante en que el chorro incide perpendicularmente sobre el cuchillo de la cazoleta. b) El diámetro nominal del rodete. c) El diámetro del chorro o chorros de la turbina.
-
TURBINAS DE REACCION Pueden ser: - De flujo diagonal (radio axial): Turbinas Francis y Turbinas Deriaz - De flujo axial: Turbinas Kaplan y de Hélice
TUR&IN%S D R%CCION D !$UJO DI%>ON%$ Características generales
En las turbinas de reacción el flujo ingresa por un conducto alimentador en forma de caracol circundando la máquina y es dirigido mediante álabes directores estacionarios hacia el rodete móvil por medio del distribuidor; este último regula el gasto o caudal de acuerdo a la potencia requerida de la central. Pueden ser de eje vertical, como en las centrales grandes o de eje horizontal en las pequeñas centrales.
Funcionamiento Funcionamien to Hidrulico!
A partir del inicio del caracol hasta la salida del rodete, la energía de presión del fluido disminuye mientras aumenta la energía cinética a lo largo de los álabes fijos del distribuidor y de los álabes móviles del rodete; es decir: “La velocidad relativa W del fluido no es constante a lo largo de los álabes” A medida que el flujo viaja por el interior del rodete reduce su momento angular e imparte un momento de torsión al rodete, produciendo el giro del eje.
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Posteriormente, el flujo sale del rodete a través de un difusor o tubo de aspiración que convierte la altura cinética restante y la energía potencial en energía de presión hasta llegar al valor de la presión atmosférica en el canal de desagüe.
Turbina Francis de eje horizontal de la fábrica Escher Wyss-Suiza
"artes principales de la turbina de reacción de #lu$o diagonal:
El distribuidor (o corona directriz) -Está conformado por álabes directores en forma de persiana circular, cuya abertura se puede modificar según los requerimientos de potencia. Aquí se desarrolla parcialmente la transformación de energía de presión en cinética.
El rotor o rodete.- Está conformado por los álabes engastados en un plato perpendicular al eje de la máquina.
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La carcasa o caracol.- Conducto de alimentación de forma circular pero de diámetro decreciente. Circunda al rotor. El fluido pasa al distribuidor guiado por unas paletas fijas a la carcasa (anti distribuidor o distribuidor fijo).
El tubo difusor o tubo de aspiración.- Da salida al agua de la turbina procurando una carga de energía potencial hasta el valor de la presión atmosférica en la salida. Característicass principales de las turbinas de reacción de #lu$o diagonal: Característica
Se utilizan con cargas hidráulicas relativamente bajas (25 – 350 m) pero con caudales grandes hasta 200 m3/s. (La C. H. de Itaipú en el río Paraná entre Paraguay y Brasil cuenta con 18 turbinas que generan 12 600 000 KW).
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Pertenecen a esta esta clasificación las turbinas pura (radial) y mixta (radio axial) denominadas turbinas FRANCIS en honor a James B. Francis (1849) y las turbinas DERIAZ. Tienen relativa alta velocidad específica (70 m CV – 450 m CV).
TUR&IN%S D R%CCION D !$UJO %?I%$ Característicass generales Característica
Son turbinas de hélices, con álabes ajustables automáticamente (Turbinas Kaplan) ó con álabes fijos (Turbinas de Hélices), de modo que el fluido incida en el borde de ataque del álabe en condiciones de máxima eficiencia para cualquier caudal o carga con lo cual se logra regular la potencia del flujo. Fue inventado por Víctor Kaplan (1914).
Esquema de rodetes de Kaplan
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"artes principales de las turbinas de #l u$o axial:
Cámara de alimentación.- Es un compartimiento de concreto que alimenta al distribuidor con grandes caudales. El distribuidor.- Regula el caudal e imprime al agua el giro necesario para que al ingresar al rotor se obtenga la máxima transferencia de energía. El rotor.- En forma de hélice con un diámetro del orden del 40% - 50% del diámetro total al extremo de los álabes; en él se empotran los álabes encargados de efectuar la transferencia de energía.
Disposición de los álabes del distribuidor de una turbina Kaplan Los álabes.- Tienen perfil de ala de avión y de desarrollo helicoidal. El tubo de aspiración.- Tiene forma acodada, construida de hormigón y blindada con acero. Su sección cambia gradualmente de circular a rectangular.
Turbinas @a,lan
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Al igual que las turbinas Francis, las de tipo Kaplan son turbinas de admisión total, incluidas en la clasificación de turbinas de reacción. Se emplean en saltos de pequeña altura (alrededor de 50 m. y menores), con caudales 3 medios y grandes (aproximadamente de 15 m /s en adelante). adelante). Debido a su diseño, permiten desarrollar elevadas velocidades específicas, obteniéndose buenos rendimientos, incluso dentro de extensos límites de variación de caudal. A igualdad de potencia, las turbinas Kaplan son menos voluminosas que las turbinas Francis. Características
Un montaje característico de este tipo de turbinas, conjuntamente con el alternador, constituye los llamados grupos-bulbo, propios de las centrales mareomotrices; o los grupospozo. Estos se utilizan para aprovechar al máximo de las corrientes de agua con muy poco salto. En ambas disposiciones, la cámara y el tubo de aspiración constituyen un solo conducto pudiendo estar situado el eje del grupo en posición vertical y también horizontal o inclinada.
Componentes de la turbina Kaplan
• • • • • • • •
Soporte Superior. Cojinete de Empuje. Cojinete Guía de Turbina. Rotor. Estator. Eje. Acoplamiento. Turbina.
Rodete.- Se asemeja a la hélice de un barco, al estar formado por un número determinado de palas, de 2 a 4 para saltos de pequeña altura y de 5 e 9 cuando los saltos son mayores, dentro del campo de aplicación de las turbinas Kaplan.
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Solamente se denominan turbinas Kaplan, cuando todas y cada una de las palas del rodete están dotadas de libertad de movimiento, girando al unísono y uniformemente sobre sus asientos respectivos situados en el núcleo, llamado cubo del rodete.
Servomotor del núcleo.- está alojado en el propio núcleo del rodete. Existen turbinas en las que las palas del rodete se pueden orientar con mecanismos accionados por motor eléctrico y reductor de velocidad, colocados en el interior del eje. En los rodetes Kaplan, el interior del núcleo está lleno de aceite, a fin de producir la estanqueidad necesaria que evite el paso de agua, a través de los ejes de las palas. En el caso de turbinas Kaplan, las palas del rodete están situadas a un nivel más bajo que el distribuidor, de modo que la corriente de agua que fluye por éste, incide sobre dichas palas en su parte posterior, en dirección paralela al eje de la turbina.
APLICACIÓN DE LA ECUACION DE EULER A LAS TURBINAS
TUR&IN%S #$TON d - diámetro del chorro. D - diámetro del rodete C1 - velocidad de ingreso del fluido. C2 - Velocidad de salida del fluido. u - velocidad periférica del álabe.
Notas 1.- La trayectoria de una partícula de fluido en el álabe es tangencial, de modo que:
u1 = u2 = u = ω r = ω D/2 ?>
2.- Se supone que no hay rozamiento en el álabe
⇒
W 1 = W 2 (ideal).
Pero en realidad: W 2 < W 1 tal !ue W 1 = " W W 2; con k- coeficiente de disminución de velocidad relativa, menor que 1. 3.- La velocidad de salida del chorro del inyector a la atmósfera (sin considerar pérdidas) es:
En el caso real, considerando pérdidas en el inyector: Con Cv - coeficiente de contracción de la vena líquida, depende de la boquilla. Usualmente Cv = [0,96-0,98].
También
; donde: He-1 - pérdidas en el inyector y H - altura neta.
4.- El rendimiento óptimo (ideal) de la turbina se logra cuando:
En la práctica:
#.- $dealmente α1 = %&' β1 = 1(%) en la práctica α1 ≤ 1*). 6.- Idealmente C2 = 0 pues la idea es aprovechar al máximo la energía cinética del agua; en la práctica C2 es muy pequeña. 7.- La potencia desarrollada por la turbina está dada por:
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TUR&IN%S !R%NCIS2 @%#$%N
+odete de una turbina de +eacci,n. ,tese el sentido del fluo hacia el rodete.
Las siguientes definiciones se aplican a todas las turbinas indistintamente:
Altura Útil (Hu) Es el valor de la altura de Euler:
Para condiciones óptimas se recomienda que α2 ≈ %& entonces cos α2 ≈ % por tanto:
Altura Neta (H) Es la energía o altura puesta a disposición de la turbina. Se relaciona con la altura de Euler o altura útil según:
He-s - pérdidas de energía entre la entrada y la salida de la turbina.
Normas Internacionales para la determinación de la Altura Neta La sección de entrada e, se encuentra inmediatamente después de la válvula de admisión de la tubería forzada, antes del inyector en las turbinas Pelton y antes de la entrada al caracol en las turbinas de reacción.
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Notación internacional para la ubicación de la entrada y salida de las turbinas, y de los niveles para la determinación de la altura neta
La sección de salida s, se encuentra en la sección de salida del tubo de aspiración en las turbinas de reacción y en el punto de tangencia del eje del chorro con un círculo de centro en el eje del rodete en las turbinas de acción. La sección 1, corresponde a la entrada al rodete La sección 2, corresponde a la salida del rodete
Como entre la entrada 0 la salida de la turbina se halla el rodete limitado por las secciones 1 0 2 se cumple !ue uego
Donde He-s – pérdidas de energía hidráulicas en la turbina, entre la entrada y la salida. He-1 - pérdidas de energía entre la entrada de la turbina y la entrada al rodete. En las turbinas de acción, se denominan pérdidas en el inyector. En las turbinas de reacción, pérdidas en el distribuidor. H1-2 – pérdidas de energía entre la entrada y la salida del rodete o al interior del rodete. H2-s – pérdidas de energía entre la salida del rodete y la salida de la turbina. En las turbinas 2 de reacción se denominan pérdidas en el tubo difusor. En turbinas de acción, 32-s ≈ Cs /2g
4scribiendo la ecuaci,n de 5ernoulli entre la entrada 6e7 0 la salida 6s7 de cual!uier turbina
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8rimera e9presi,n de la altura neta.
Luego, la altura neta es la suma de las alturas totales entre la entrada y la salida de la turbina. Por otro lado, escribiendo la ecuación de Bernoulli entre la superficie libre de la cámara de carga (A) y la superficie libre de salida del agua (Z):
8ero 3 :-; = 3 :-e < 3 e-s < 3 s-; = 3 pérdidas e9ternas < 3e-s además 3 = 3u < 3 e-s 4ntonces
>ambién p : = p; = 8atm 0 V : ≈ V; ≈ % 4ntonces lamando a 6; : ? ;;7 = 3b salto bruto o diferencia de cotas entre el punto más alto 0 más bao de una central hidroeléctrica. uego Donde
@egAn lo anterior la altura neta es la altura bruta menos las pérdidas de energBa !ue ocurren en la tuberBa forada 0 desde la salida de la turbina hasta el desage. 4n turbinas 2 de reacci,n 3s- ≈ Cs /2g.
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SELECCIÓN DE TURBINAS Criterios de selección. Para seleccionar una turbina se tienen en consideración los siguientes criterios: - El número de revoluciones del generador. - El número específico de revoluciones. - Factores económicos.
l n:mero de revoluciones del *enerador 3n4 El Generador . Es una maquina eléctrica que produce corriente alterna monofásica o trifásica. Convierte la energía mecánica entregada por la turbina en energía eléctrica. También se le conoce con el nombre de “alternador”. Si se monta en el mismo eje de la turbina, el número de revoluciones de la turbina es igual al del generador. Los generadores pueden ser: síncronos (alternador) o asíncronos. a) El generador síncrono .- El valor de rotación del eje (n en rpm) se halla en relación inversa con el número de polos. n = 60
f - frecuencia en Hz P – pares de polos El número de pares de polos define el tamaño del generador. b) El generador asíncrono.- Aquellos que no cumplen la condición anterior; es decir n ≠ E% f / 8' lo cual implica desfasaje entre la velocidad del rotor y la velocidad de campo magnético. Se los usa casi exclusivamente como motores.
Los generadores usados en la centrales hidroeléctricas son síncronos con pares de polos que varían entre 2 y 48 y con n que varía entre 60 y 600 rpm. En centrales con potencias menores de 500 KW se recomienda usar generadores con 2 a 4 pares de polos.
l *enerador s0ncrono El generador síncrono transforma la energía mecánica producida por las turbinas en energía eléctrica, debido al principio de “inducción electromagnética” de Faraday (1831). Este principio consiste en que el rotor (inductor) gira dentro del estator (inducido). El rotor aloja los polos magnéticos de excitación con corriente proveniente de la excitatriz. Dicha corriente está destinada a crear flujo magnético inductor entre el rotor y el estator a través del entrehierro (espacio de algunos milímetros).
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Según el principio de Faraday, este flujo magnético inductor induce una tensión trifásica en los bornes de salida del generador síncrono.
Importante.- Si no fluye la corriente continua de la excitatriz al devanado de campo del rotor, no se generará ninguna tensión en los bornes terminales del estator, por más que el rotor gire. La forma como llega la corriente continua de la excitatriz al rotor es a través de las escobillas (carbones) que se desliza sobre los colectores o anillos (negativo y positivo) pero que están aislados eléctricamente del eje del rotor. El nombre del generador síncrono deriva de que la velocidad angular de rotación siempre debe estar en concordancia con la frecuencia eléctrica de la red y cuya relación es n = 60 f/P. La potencia del generador está dada por :
donde: 8F - 8otencia del generador 8a - 8otencia Atil de la turbina ηF - 4ficiencia del generador ηg = 1 - %%E 68ares de polos7 -%2 ηtr - 4ficiencia de transmisi,n igual a 1 si el acoplamiento es directo 6ee comAn entre generador 0 turbina7 0 %# para acoplamientos indirectos a través de poleas o engranaes. También: 8F = @ cos φ donde:
• • • •
S - potencia aparente (KVA) PG - potencia activa que realiza trabajo útil en la máquina. Q - potencia reactiva, es la que produce el campo magnético necesario para el funcionamiento de la máquina. No produce trabajo útil. Cos φ - factor de potencia = %(
El número específico de revoluciones ( nS ) Para H pequeña y Q grande: nS debe ser grande (pero preferible no mayor de 950 m CV para evitar cavitación) a fin de que n no sea muy pequeño (debe ser lo más grande posible). Para H grande y Q pequeño: nS debe ser pequeño para que n no sea muy grande (debe ser lo más pequeña posible). Para escoger el ns apropiado para una turbina se deben tener en consideración algunas reglas prácticas (empíricas) que relación a este parámetro con la altura neta de la instalación, instalación, saber:
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Reglas Prácticas que relacionan nS con la altura neta H.
Razones económicas Debe determinarse cuidadosamente la velocidad de rotación de la turbina, n, ya que para valores muy pequeños el diámetro deberá ser muy grande y por otra parte el número de pares de polos aumentará encareciendo el generador. En general, el valor de n debe ser lo más grande posible para disminuir costos. Nota.- En promedio la vida útil de una turbina es de 40 000 horas de trabajo con reparaciones entre 3 a 4 veces.
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El Número De Turbinas ( Nt ) La necesidad de colocar más de una turbina obedece a las siguientes razones: 1. Disponer de mayor flexibilidad en la operación y mantenimiento de la Central: se puede reparar una turbina sin suspender el servicio; se puede conectar o desconectar unidades de acuerdo a la demanda de potencia. 2. Evita la aparición de esfuerzos de trabajo excesivos. 3. Disminuye el nS cuando se usan varios grupos y se disminuye el peligro de cavitación.
Cuando una central hidroeléctrica tiene varios grupos o turbinas de iguales características la velocidad específica total es:
Luego:
donde:
NT - Número de turbinas a instalar. Pa - Potencia útil total de la Central. P’a - Potencia útil de cada turbina, entonces Pa = NT P’a nS - Velocidad especifica total. n’S - Velocidad especifica unitaria.
TURBINAS DE VAPOR Una turbina de vapor es una turbo máquina que transforma la energía de un flujo de vapor en energía mecánica. Este vapor se genera en una caldera, de la que sale en unas condiciones de elevada temperatura y presión. En la turbina se transforma la energía interna del vapor en energía mecánica que, típicamente, es aprovechada por un generador para producir electricidad. Al pasar por las toberas de la turbina, se reduce la presión del vapor (se expande) aumentando así su velocidad. Este vapor a alta velocidad es el que hace que los álabes móviles de la turbina giren alrededor de su eje al incidir sobre los mismos. Por lo general una turbina de vapor posee más de un conjunto tobera-álabe (o etapa), para aumentar la
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velocidad del vapor de manera gradual. Esto se hace ya que por lo general el vapor de alta presión y temperatura posee demasiada energía térmica y, si ésta se convierte en energía cinética en un número muy reducido de etapas, la velocidad periférica o tangencial de los discos puede llegar a producir fuerzas centrífugas muy grandes causando fallas en la unidad.
Clasificación Existen turbinas de vapor en una gran variedad de tamaños, desde unidades de 1 HP (0.75 Kw.) Usadas para accionar bombas, compresores y otro equipo accionado por flecha, hasta turbinas de 2,000,000 HP (1,500,000 Kw.) Utilizadas para generar electricidad. Se distinguen dos tipos de turbinas: de acción o de reacción. La forma más sencilla de turbina de vapor es la denominada turbina de acción, en la que los chorros de la turbina están sujetos a un punto dentro de la carcaza de la turbina, y las palas están dispuestas en los bordes de ruedas que giran alrededor de un eje central. El vapor pasa a través de las boquillas y alcanza las palas. Estas absorben una parte de la energía cinética del vapor en expansión, lo que hace girar la rueda y con ella el eje al que esta unida. La turbina esta diseñada de forma que el vapor que entra por un extremo de la misma se expande a través de una serie de boquillas hasta que a perdido la mayor parte de su energía interna. En la turbina de reacción la energía mecánica se obtiene de la aceleración del vapor en expansión. Las turbinas de este tipo cuentan con dos grupos de palas unas móviles y otras fijas. Las palas esta colocadas de forma que cada par actúa como una boquilla a través de la cual pasa el vapor mientras se expande. Las palas de las turbinas de reacción suelen montarse en un tambor en lugar de una rueda, el tambor actúa como eje de la turbina. Para que la energía del vapor se utilice eficientemente en ambos tipos de turbina, es necesario utilizar varios escalones en cada uno de los cuales se convierte en energía cinética, una parte de la energía térmica del vapor. Si se hiciera toda la conversión de los dos tipos de energía en un solo escalón, la velocidad rotatoria de la rueda seria excesiva. Por lo general se utilizan mas escalones en las turbinas de reacción que en las turbinas de acción. Se puede comprobar que, con el mismo diámetro y la misma cantidad de energía, la turbina de reacción necesita el doble de escalones para obtener un rendimiento máximo. Las turbinas más grandes, que normalmente son de acción, emplean hasta cierto grado la reacción al principio del recorrido del vapor para que el flujo de vapor sea eficaz. Muchas de las turbinas de reacción utilizan primero un escalón de control de acción, lo que reduce el número de escalones necesarios. A causa del aumento de volumen del vapor cuando se expande, es necesario aumentar en cada escalón el tamaño de las aberturas a través de las cuales pasa el vapor. Durante el diseño real de las turbinas, este aumento se consigue alargando las palas de un escalón a otro y aumentando el diámetro del tambor o la rueda a la que están acopladas las palas. También se agregan dos o más secciones de turbina en paralelo. Como resultado de esto, una turbina industrial pequeña puede ser prácticamente cónica, con el diámetro más pequeño en el extremo de entrada, de mayor presión, y el diámetro mayor en el extremo de
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salida. Las grandes turbinas de una central eléctrica nuclear pueden tener cuatro rotores con una sección de alta presión con flujo doble, seguida de tres secciones de baja presión y flujo doble. Las turbinas de vapor son máquinas simples que tienen prácticamente una sola parte móvil, el rotor. Sin embargo, requieren algunos componentes auxiliares para funcionar: cojinetes de contacto plano para sostener el eje, cojinetes de empuje para mantener la posición axial del eje, un sistema de lubricación de los cojinetes y un sistema de estanqueidad que impide que el vapor salga de la turbina y que el aire entre en ella. La velocidad de rotación se controla con válvulas en la admisión de vapor de la máquina. La caída de presión en las palas produce además una fuerza axial considerable en las palas móviles, lo que se suele compensar con un pistón de equilibrado, que crea a su vez un empuje en sentido opuesto al del vapor.
$as turbinas de no
$as turbinas condensadoras se encuentran comúnmente en plantas de potencia eléctrica. Estas turbinas expelen vapor en estado parcialmente saturado, generalmente con calidad mayor al 90%, a una presión bastante inferior a la atmosférica hacia un condensador.
$as turbinas de recalentamiento también son usadas casi exclusivamente en plantas de potencia eléctrica. En una turbina de recalentamiento, el flujo de vapor sale de una sección a alta presión de la turbina y es regresado a la caldera donde se le vuelve a sobrecalentar. El vapor entonces regresa a una sección de presión intermedia de la turbina y continúa su expansión.
$as turbinas de e+tracción se encuentran en todo tipo de aplicaciones. En una turbina de extracción, el vapor es liberado en diversas etapas y aprovechado en distintos procesos industriales, también puede ser enviado a calentadores de agua para mejorar la eficiencia del ciclo. Los fluidos extraídos pueden ser controlados mediante una válvula o pueden no controlarse. Las turbinas de inducción introducen vapor a baja presión en una etapa intermedia para producir potencia adicional.
Turbina de va,or ,ara *eneración de electricidad Las turbinas de vapor se emplean principalmente en las centrales eléctricas de generación de energía eléctrica, cuyos componentes principales son:
Caldera: su función es la de generar el vapor necesario para el funcionamiento de la turbina.
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Turbina: es la encargada de utilizar la energía del vapor de la caldera y transformarla en trabajo útil para mover un generador eléctrico. Condensador: se emplea para condensar el vapor que sale de la turbina. Bomba: usada para alimentar la caldera con el agua que proviene del condensador.
Com,onentes b/sicos de una central termoel.ctrica Partes de una turbina
Las turbinas de vapor están constituidas por dos partes principales; la parte giratoria- el rotor y la parte estacionaria- el estator. El estator (cilindro), está constituido por pedestales, cargadores, bloques de toberas, diafragmas y sellos y en ocasiones por el sistema de distribución de vapor y por el condensador. Los pedestales de la turbina sirven como apoyo del cilindro y de los rotores. Los cilindros de las turbinas normalmente se fabrican en dos mitades unidas entre sí por la unión horizontal y pretadas mediante tornillos y espárragos. Para garantizar la coincidencia plena de ambas mitades, en la unión horizontal Se practican orificios guías con espárragos especialmente construidos para ello.
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Las turbinas que se construyen con parámetros de vapor vivo, que superan las 90 atm. y los 500° C y que poseen cilindros de alta alta y media presión con recalentamiento intermedio, normalmente están construidos con cilindros interiores. Los cilindros interiores también son unidos por la unión horizontal. Las turbinas que se construyen con cilindros interiores tienen la ventaja de disminuir las tensiones térmicas e hidráulicas que sufre el metal del cilindro y como consecuencia el espesor de las bridas de la unión horizontal y, además, facilitar la aceleración del arranque con un calentamiento más uniforme. Dentro del cilindro están maquinados los encajes de los cargadores, diafragmas y sellos. Algunos cilindros como los de las máquinas de reacción tienen ranuras para insertar los alabes estacionarios y otros cilindros por razones tecnológicas tienen cargadores que agrupan sellos y diafragmas, esto facilita conformar el espacio y ubicar las extracciones de forma más compacta, también disminuye considerablemente la cantidad de tornillos lo que agiliza el mantenimiento. Para impedir la fuga del vapor hacia el ambiente o las pérdidas entre los pasos y para evitar la penetración del aire en el cilindro sometido al vacío se construyen sistemas de empaquetadura o de sellaje. Las cajas de sellos ubicadas en el exterior del cilindro se llaman estufas
Turbinas Con ta,as De 5elocidad 3Curtis4 Estas turbinas toman la energía cinética del vapor y la usan para impulsar dos o tres rotores acoplados a un mismo árbol; en este montaje es necesario instalar alabes fijos en medio de los rotores; denominando al conjunto de elementos fijos seguido de álabes móviles, una etapa. Este diseño fue desarrollado por el Ingeniero Curtís y por tal razón a ésta turbina se le denomina comúnmente como turbina Curtís. La admisión del vapor es parcial, es decir que únicamente los alabes móviles que se encuentran enfrente de las toberas reciben vapor, los otros álabes trabajan en vacío.
Turbina Curtis con dos etapas de velocidad o de doble rotor
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Distribución de la velocidad y la presión en una turbina con dos etapas de velocidad o Curtis.
Turbinas con eta,as de #resión Estas turbinas distribuyen el salto de presión del vapor a lo largo de varias etapas de la turbina, logrando de ésta forma que la velocidad del vapor no sea tan alta en medio de las etapas. Usando este principio se diseñaron simultáneamente dos tipo diferentes de turbinas, la turbina Rateau y la de Reacción.
Turbinas Rateau-
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En este tipo de turbina, cada etapa está compuesta por un grupo de alabes fijos que actúan como toberas, es decir permiten una caída de presión y por lo tanto un incremento de la energía cinética del vapor y a continuación un grupo de alabes móviles que reciben la energía del vapor que sale de los alabes fijos transformándola en trabajo al árbol; todos los rotores están acoplados al mismo árbol. Estas turbinas pueden tener varias etapas (entre 5 y 15) y normalmente el vapor cubre la totalidad (360°) de los alabes móviles (admisión total) y utilizan generalmente en su primera etapa una de velocidad, que puede ser de tipo Laval o Curtis.
Turbinas de reacción 3#arsons4-
Esta turbina debe el nombre a su inventor, tiene gran numero de etapas (entre 15 y 50); cada una de ellas con admisión total de vapor y tanto en el grupo de álabes fijos como en los móviles se presenta caída de presión del vapor, que debido al gran numero de partes donde se sucede, los incrementos de velocidades (energía cinética) del vapor no son altos; por tal razón, al igual que en las turbinas Rateau, los regímenes de rotación son bajos. Por su gran longitud, debido al alto número de etapas, en lugar de usar árbol, generalmente, los álabes móviles están montados sobre un tambor, en especial los de las últimas etapas. Esta turbina es usada para mover generadores de gran potencia. En la actualidad, las turbinas Rateau o Parson por si solas no se construyen, sino que las turbinas de gran potencia se fabrican con los diferentes tipos de etapas descritos, colocándose una etapa de velocidad en su parte inicial, que puede ser de tipo Laval o Curtis, posteriormente, en su zona intermedia se instalan etapas tipo Rateau y finalmente en su parte final, zona de bajas presiones, se instalan etapas tipo Parson. Al pasar de las etapas de velocidad que son de admisión parcial a las etapas de presión, ya sean Rateau o Parson, que son de admisión total, el vapor pasa por una zona o compartimiento de la carcaza de la
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turbina llamado escalón de regulación al que permite que éste cambio en la admisión del vapor en los alabes, se realice.
TURBINAS DE GAS Una turbina de gas simple está compuesta de tres secciones principales: un compresor, un quemador y una turbina de potencia. Las turbinas de gas operan en base en el principio del ciclo Brayton, en donde aire comprimido es mezclado con combustible y quemado bajo condiciones de presión constante. El gas caliente producido por la combustión se le permite expandirse a través de la turbina y hacerla girar para llevar a cabo trabajo. En una turbina de gas con una eficiencia del 33%, aproximadamente 2/3 del trabajo producido se usa comprimiendo el aire. El otro 1/3 está disponible para generar electricidad, impulsar un dispositivo mecánico, etc. Las turbinas de gas con altas presiones de trabajo pueden utilizar un interenfriador para enfriar el aire ente las etapas de compresión, permitiendo quemar más combustible y generar más potencia. El factor limitante para la cantidad de combustible utilizado es la temperatura de los gases calientes creados por la combustión, debido a que existen restricciones a las temperaturas que pueden soportar los alabes de la turbina y otras partes de la misma. Con los avances en la Ingeniería de los materiales, estos límites siempre van aumentando.
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Ti,os de turbina de *as Las turbinas de gas son equipos capaces de transformar la energía química contenida en un combustible en energía mecánica, ya sea para su aprovechamiento energético o como fuerza de impulso de aviones, automóviles o barcos. En este artículo prestaremos atención a su papel como productor comercial de electricidad., ya sea de forma independiente, en cogeneración junto con turbinas de vapor, o en diseños híbridos con otras tecnologías renovables.
Clasificacion de las turbinas a *as Las turbinas a gas, al igual que las turbinas a vapor, se clasifican en: 1. Turbinas a gas de acción 2. Turbinas a gas de reacción En las turbinas de acción acción la caída total de presión de los gases de combustión se produce en las toberas que están ubicadas antes del/los estadios móviles y fijos de la misma. De esta manera se produce una transformación de energía de presión a energía de velocidad (energía cinética) en los gases. La presión de los gases dentro de la turbina, estadios móviles y fijos, permanece constante. En las turbinas de reacción, en cambio, la caída de presión de los gases de combustión se produce tanto en las toberas, como en los estadios móviles y fijos que componen la misma. La presión de los gases dentro de la turbina, estadios móviles y fijos, va disminuyendo. También las turbinas a gas se clasifican de acuerdo al número de estadios móviles, en cuyo caso pueden ser: 1. Turbinas a gas mono etapa (un solo estadio móvil) 2. Turbinas a gas multi etapas (varios estadios móviles) También pueden clasificarse según el origen de su desarrollo, por el diseño de su cámara de combustión y por su número de ejes.
Turbina de *as aeroderivadasProvienen del diseño de turbinas de para fines aeronáuticos, pero adaptadas a la producción de energía eléctrica en plantas industriales o como microturbinas. Sus principales características son su gran fiabilidad y su alta relación potencia/peso, además cuentan con una gran versatilidad de operación y su arranque no es una operación tan crítica como en otros tipos de turbinas de gas. Pueden alcanzar potencias de hasta 50 MW, moviendo los gases a una gran velocidad, pero bajo caudal. Su compacto diseño facilita las operaciones de sustitución y mantenimiento, lo que hace viable que se lleven acabo revisiones completas en menores intervalos de tiempo.
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Turbina de *as industrialLa evolución de su diseño se ha orientado siempre a la producción de electricidad, buscándose grandes potencias y largos periodos de operación a máxima carga sin paradas ni arranques continuos. Su potencia de diseño puede llegar a los 500 MW, moviendo grandes cantidades de aire a bajas velocidades, que pueden aprovecharse en posteriores aplicaciones de cogeneración. Su mantenimiento debe realizarse in si-tu debido a su gran tamaño y peso, buscándose alargar lo más posible en el tiempo las revisiones completas del equipo.
Turbina de c/mara de combustión ti,o siloEn estos diseños la cámara aparece dispuesta sobre la parte superior de la turbina. Los inyectores se instalan atravesando el techo superior de la cámara, y los gases de escape llegan a la turbina de expansión por una abertura inferior conectada a ésta. Su diseño no está muy expandido, y se restringe a turbinas de H2 y otros combustibles experimentales.
Turbina de c/mara de combustión anularEn este caso la cámara consiste consiste en un cilindro orientado axialmente instalado al rededor del eje. Tiene un único tubo de llama y entre 15 y 20 inyectores. Consiguen una buena refrigeración de los gases de combustión y bajas perdidas de carga, aunque su distribución de temperaturas y mezcla combustible/comburente combustible/co mburente es menos uniforme que en cámaras tuboanulares. Este diseño se utiliza por los fabricantes Alstom y Siemens, y en general en turbinas aeroderivadas.
Turbina de c/mara de combustión tuboanularUna serie de tubos distribuidos al rededor del eje de forma uniforme conforman este diseño de cámara de combustión. Cada una posee un único inyector y bujía. Tienen mejor resistencia estructural que las anulares, pero menor rendimiento y mayor peso. Además si una de ellas deja de funcionar y no es detectado, pueden producirse grandes diferencias de temperaturas en la estructura. La pieza de transición, que es la que recoge todos los gases de combustión para dirigirlos a la turbina de expansión, es una parte delicada de la instalación. En función del número de ejes de la turbina, se puede clasificar como: 1. Turbinas a gas de un solo eje o monoejes 2. Turbinas a gas de dos ejes o multiejes
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Turbina monoejeEl compresor, turbina de expansión expansión y generador giran de forma solidaria con un único eje de rotación. La velocidad de giro es en la inmensa mayoría de los casos de 3000 rpm, forzado por la frecuencia que debe tener el rotor del generador eléctrico al verter a la red general (50 Hz). Es el diseño usual en las grandes turbinas comerciales de generación eléctrica.
Turbina multiejeLa turbina de expansión se encuentra dividida en 2 secciones, la primera o turbina de alta presión, se encuentra unida al compresor axial al que proporciona la potencia necesaria para su funcionamiento. La segunda sección comparte eje con el generador, aprovechándose la energía transmitida en la generación de electricidad. Esta tecnología es utilizada en aeroderivadas y turbinas de pequeña potencia, y ofrece un mejor comportamiento frente a variaciones de carga.
#artes de una turbina de *as Las turbinas de gas pueden dividirse en seis grandes partes principales: 1. Compresor 2. Cámara de combustión 3. Turbina de expansión 4. Carcasa Además cuenta con una seria de sistemas auxiliares necesarios para su funcionamiento, como son la casa de filtros, cojinetes, sistema de lubricación, recinto acústico, bancada, virador, etc.
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Com,resorSu función consiste en comprimir el aire de admisión, hasta la presión indicada para cada turbina, para introducirla en la cámara de combustión. Su diseño es principalmente axial y necesita un gran número de etapas, alrededor de 20 para una razón de compresión de 1:30, comparada con la turbina de expansión. Su funcionamiento consiste en empujar el aires a través de cada etapa de alabes por un estrechamiento cada vez mayor, al trabajar en contra presión es un proceso que consume mucha energía, llegando a significar hasta el 60% de la energía producida por la turbina. Para disminuir la potencia necesaría para este proceso, puede optarse por un diseño que enfríe el aire en etapas intermedias, favoreciendo su compresión, aunque reduce la eficiencia de la turbina por la entrada más fría del aire en la cámara de combustión. El control de la admisión de aire en el el compresor puede realizarse según dos posibilidades. Turbinas monoeje: 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 trabajo para comprimir ese aire es el mismo, tanto si trabajamos a carga máxima como si trabajamos a cargas más bajas, y por lo tanto producimos menos potencia. En este caso las primeras etapas diseñan con geometría variable, dejando pasar más o menos aire según su posición relativa, y por lo tanto consumiendo menos potencia.
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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.
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C/mara de CombustiónA pesar de los distintos tipos de cámaras de combustión todas ellas siguen un diseño general similar. Cuanto mayor sea la temperatura de la combustión tanto mayor será la potencia que podamos desarrollar en nuestra turbina, es por ello que el diseño de las cámaras de combustión esta enfocado a soportar temperaturas máximas, superiores a los 1000 ºC, mediante recubrimientos cerámicos, pero a su vez evitar que el calor producido dañe otras partes de la turbina que no esta diseñadas para soportar tan altas temperaturas. Están diseñadas mediante una doble cámara:
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Cámara interior: Se produce la mezcla del combustible, mediante los inyectores, y el comburente, que rodea y accede a ésta mediante distribuidores desde la cámara exterior en 3 fases. En la primera se da la mezcla 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 último y antes de la salida de los gases a la turbina de expansión se introduce el resto del aire comprimido para refrigerar los gases de escape y que no dañen las estructuras y equipos posteriores.
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Cámara exterior: Se ocupa de recoger el comburente, aire, proveniente del compresor, hacerlo circular por el exterior de la cámara interior para refrigerar los paneles cerámicos, y su vez distribuir la entrada de aire a la cámara interior de forma adecuada.
Turbina de +,ansiónEsta diseñada para aprovechar la velocidad de salida de los gases de combustión y convertir su energía cinética en energía mecánica rotacional. Todas sus etapas son por lo tanto de reacción, y deben generar la suficiente energía para alimentar al compresor y la producción de energía eléctrica en el generador. Suele estar compuesta por 4 o 5 etapas, cada una de ellas integrada por una corona de alabes con un adecuado diseño aerodinámico, que son los encargados de hacer girar el rotor al que están unidos solidariamente. Además de estos, hay antes de cada etapa un conjunto de alabes fijos sujetos a la carcasa, y cuya misión es redireccionar el aire de salida de la cámara de combustión y de cada etapa en la dirección adecuada hasta la siguiente. Los alabes deben estar recubiertos por material cerámico para soportar las altas temperaturas, además, un flujo de aire refrigerador proveniente del compresor los atraviesa internamente, saliendo al exterior por pequeños orificios practicados a lo largo de toda su superficie.
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Carcasa La carcasa protege y aisla el interior de la turbina pudiéndose dividir en 3 secciones longitudinales:
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Carcasa del compresor: Está compuesta por una única capa para soporte de los alabes fijos y para conducción del aire de refrigeración a etapas posteriores de la turbina de gas.
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Carcasa de la cámara de combustión: Tiene múltiples capas, para protección térmica, mecánica y distribución de aire para las 3 fases en que se introduce el aire en la combustión.
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Carcasa de la turbina de expansión: Cuenta al menos con 2 capas, una interna de sujeción de los alabes fijos y otra externa para la distribución del aire de refrigeración por el interior de los alabes. Debe también de proveer protección térmica frente al exterior.
Una turbina de gas simple está compuesta de tres secciones principales: un compresor, un quemador y una turbina de potencia. Las turbinas de gas operan en base en el principio del ciclo Brayton, en donde aire comprimido es mezclado con combustible y quemado bajo condiciones de presión constante. El gas caliente producido por la combustión se le permite expandirse a través de la turbina y hacerla girar para llevar a cabo trabajo. En una turbina de gas con una eficiencia del 33%, aproximadamente 2/3 del trabajo producido se usa comprimiendo el aire. El otro 1/3 está disponible para generar electricidad, impulsar un dispositivo mecánico, etc.
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'OTORS Motor de gasolina (motor Otto de cuatro tiempos) El motor de gasolina es un motor alternativo con encendido por chispa en el que se quema una mezcla de aire y combustible. Durante la combustión se transforma la energía química de la gasolina en energía calorífica. Los conjuntos mecánicos del motor consiguen que energía térmica o calorífica se transforme en energía mecánica que permite desplazar el vehículo.
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En los motores alternativos, el pistón se desplaza desde la parte más alta, denominada punto muerto superior (PMS) y la parte más baja, punto muerto inferior (PMI). Entre el PMS y el PMI, el cigüeñal realiza un giro de 180º, por lo que un ciclo de trabajo se realiza en cuatro fases o tiempos en dos vueltas de cigüeñal. Los cuatro tiempos del ciclo en el motor de gasolina son: a. Primer tiempo: admisión de gases frescos (mezcla de aire y combustible). b. Segundo tiempo: compresión de la mezcla de aire y combustible. c. Tercer tiempo: explosión (combustión de la mezcla de aire y combustible). d. Cuarto tiempo: escape de los gases quemados.
a) Admisión: en el primer tiempo, el pistón se encuentra en el punto muerto superior (PMS) y se desplaza hasta el punto muerto inferior (PMI), en este desplazamiento se genera una depresión en el cilindro, la válvula de admisión permanece abierta y la de escape cerrada, permitiendo la entrada de la mezcla aire-combustible. b) Compresión: el pistón se encuentra en el punto muerto inferior (PMI). Todo el volumen del cilindro se encuentra lleno de mezcla de aire y gasolina, la válvula de admisión se cierra y la de escape continúa cerrada. El pistón se desplaza desde el punto muerto inferior (PMI) al punto muerto superior (PMS). En la carrera ascendente del pistón, con las dos válvulas cerradas, la mezcla de aire y combustible se comprime en la cámara de compresión. c) Explosión: el pistón se encuentra en el punto muerto superior (PMS) con la mezcla comprimida. El circuito de encendido manda una corriente eléctrica a la bujía (encendido por chispa), generándose la combustión de la mezcla en el interior de la cámara de combustión. La mezcla al combustionarse eleva la presión de los gases y aumentan de temperatura, los gases a presión empujan la cabeza del pistón y lo desplazan del punto muerto superior al punto muerto inferior generándose la fase de trabajo. Las válvulas en este tiempo permanecen cerradas. d) Escape: el pistón se encuentra en el punto muerto inferior con todo su volumen lleno de gases quemados. El motor necesita expulsar al exterior los gases para iniciar nuevamente el ciclo. El pistón se desplaza en una carrera ascendente desde el PMI al PMS. La válvula de escape se abre, y los gases son expulsados por el tubo de escape al exterior. El instante en que las dos válvulas están abiertas se denomina cruce o solapamiento de válvulas.
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El motor dispone de los elementos constructivos que permiten la apertura y cierre de las válvulas y del mecanismo de biela manivela que transforma el movimiento lineal del pistón en rotatorio del cigüeñal. Las cotas del diagrama de la distribución del ciclo real son: • AAA: adelanto a la apertura de la válvula de admisión. • RCA: retraso al cierre de la válvula de admisión. • AE: adelanto al encendido. • AAE: adelanto a la apertura de la válvula de escape. • RCE: retraso al cierre de la válvula de escape.
Diagrama teórico del motor de cuatro tiempos El ciclo completo y teórico se realiza cada dos vueltas del motor y cada tiempo se realiza cada 180º de giro del motor.
En el ciclo teórico cada tiempo dura 180º de giro mientras que en el ciclo real estos tiempos difieren durando más o menos de 180º dependiendo del modelo de motor y fabricante. Las válvulas del motor se abren y se cierran en los puntos muertos, cada tiempo se realiza desde un punto muerto hasta su llegada al otro. Un motor con este ciclo de trabajo funciona pero no se aprovecha al máximo el combustible ni tiene un rendimiento aceptable. Los diseñadores de motores adaptan los tiempos del motor y aperturas de las válvulas a las necesidades de cada motor y modifican los momentos en los que las válvulas se abren y cierran y en consecuencia el alargamiento o acortamiento de los tiempos.
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Ciclo real El adelanto al encendido no es fijo, sino que avanza a medida que aumentan las revoluciones del motor.
Primer tiempo. Admisión En el ciclo real el tiempo de admisión se alarga considerablemente. La válvula de admisión se abre antes de que el pistón llegue al punto muerto superior (de 10 a 15º), adelanto de apertura de admisión «AAA». El cierre de la válvula no se realiza en el punto muerto inferior sino después de 40 a 45º «RCA» retroceso al cierre de la admisión. Con estas modificaciones se aprovecha la inercia de los gases tanto en la entrada como en el cierre de la válvula de admisión.
Segundo tiempo. Compresión El tiempo de compresión se acorta en el ciclo real, empieza cuando la válvula de admisión se cierra; en este caso el pistón ha iniciado la carrera ascendente y antes de alcanzar el punto muerto superior salta la chispa en la bujía, avance de encendido (AE), iniciando la combustión.
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Tercer tiempo, Trabajo o expansión Se inicia en el momento en que se produce la explosión de la mezcla (antes de que el pistón llegue al punto muerto superior), por lo que se consigue que la máxima presión de los gases quemados, superior a 60 bar, se produzca en el punto muerto superior del pistón. Las dos válvulas se encuentran cerradas, la presión de los gases desplaza el pistón del punto muerto superior al punto muerto inferior transformándose en trabajo mecánico. Antes que el pistón llegue al punto muerto inferior se abre la válvula de escape terminando así este tiempo.
Cuarto tiem,o6 sca,e Se adelanta la apertura de la válvula de escape para aprovechar la presión interna de los gases (AAE 40 a 50º), los gases salen rápidamente al exterior y el pistón se desplaza desde el punto muerto inferior al punto muerto superior empujando, en su desplazamiento, los gases al exterior. La válvula de escape permanece abierta después del punto muerto superior para aprovechar la inercia de los gases para salir al exterior (retraso cierre de escape RCE 15 a 20 º).
MOTOR DIESEL Características principales Admisión: solo aire / mezcla • Colector liso, sin restricciones al paso de aire. • Mayor rendimiento volumétrico; curva de par más plana. Compresión: sólo aire • Relación de compresión muy elevada r 22; mayor rendimiento térmico: menos consumo. • Al finald e la compresión el aire esta muy caliente. • Compresión del aire en cámaras especiales (turbulencia). Combustión • Inyección de gasoil en aire caliente (autoencendido). • Tiempod e formación de mezcla muy pequeño: turbulencia. • Combustión de mezcla pobre (exceso de aire); potencia específica inferior. • Muy brusca (ruido característico); presión muy elevada por lo que el tren alternativo es muy pesado.
Escape
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Más contaminación; se queman mezclas pobres. Formación de carbonilla Gases más caliente (tubos).
Inyección directa
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% # N D I C S APÉNDICE I: Propiedades del agua a 1atm de presión
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APÉNDICE II: Presión de vapor en función de la temperatura
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APENDICE III: Selecciones y designaciones de materiales según el Instituto de Hidráulica
APENDICE IV: Capacidades de una bomba de émbolo horizontal dúplex típica
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APENDICE V: Materiales para bombear varios líquidos
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APENDICE VI: Ecuación de Euler de las turbobombas.
El agua al atravesar el rodete de una bomba, como el mostrado en la figura, posee un movimiento que se compone de la suma de dos velocidades, una debida al arrastre del agua por el rodete y otra que representa la velocidad relativa del agua respecto al rodete, es decir, como si estuviera en reposo. La velocidad de arrastre es lo que denominamos velocidad lineal (u) cuya rapidez es igual a la velocidad angular ( ω) (número de revoluciones por minuto) multiplicado por el radio de giro. Por lo tanto aumenta entre la entrada del rodete y la salida, ya que aumenta el radio de giro entre R1 y R2. En cuanto a la velocidad relativa (w), en este caso disminuye su rapidez ya que, el agua entra por AB y sale por A’B’, si tenemos que la altura del rodete a la entrada es b1 y a la salida es b2. La sección que atraviesa el agua a la entrada y a la salida será respectivamente:
'i entre estos dos álabes esta circulando un caudal de agua <, por la ecuaci"n de continuidadD continuidadD
2onde S1 y S& es la velocidad relativa a la entrada y salida del rodete, es decir como si estuviera en reposo. Como A9 es menor que AT9T y las alturas b1 y b& se diferencian poco, la secci"n de la canalizaci"n entre los dos rodetes aumenta, por lo tanto S & U S1. $a suma vectorial de ambas velocidades Gu y SH a la entrada y a la salida se denominan velocidades absolutas E 1 y E&. A su composici"n vectorial se denomina triángulo t riángulo de velocidadesD
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$a velocidad absoluta a su vez se puede puede descomponer en dos componentes componentes una radial GE1n y E&nH y otra tangencial GE1t y E&tH. $a bomba se dise%a para que el agua posea una velocidad absoluta en la entrada radial luego GE1t O >H, tal como se muestra en la figuraD
$a variaci"n de la componente radial es consecuencia del aumento de la secci"n en el canal, es decir por la ecuaci"n de continuidad. Pero la causa que produce que vare la componente tangencial es el par motor? G:motorH aplicado al rodete, que produce una variaci"n del momento cin!tico G$H@ del fluido entre la entrada y la salidaD
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Curas características de un !otor diesel
B?
B@
B
APÉNDICE VII: Curvas características de un motor diesel y tipos de inyección
Curvas características de un motor diesel
"i#os de c$!aras Inyección directa
BB
%e tur&ulencia
"i#os de inyecciones
'o!&a en líneas rotatias
Co!!on rail
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(I)
(*)
Inyección en linea
8>
Inyección en línea con tur&o
R+"A"I,A R+"A"I,A %*A con re-ulador re-ulador !ec$nico
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R+"A"I,A R+"A"I,A %*A con re-ulador re-ulador .idr$ulico
0otativa 9osch E# con #2C
8&
9omba de inyecci"n de pist"n radial
'istema inyector de bomba
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CONC$USIÓN Al e(aminar el tema de selecci"n de turbomaquinas se puede concluir que la mejor manera de seleccionar una turbomaquina turbomaquina es considerar principalmente la eficiencia, el tama%o y el tipo de fluido que se transportara en la turbomaquina, este +ltimo es algo muy prioritario ya que si no se selecciona el tipo de turbomaquina adecuada puede causar problemas en la turbomaquina y en su composici"n por el tipo de fluido que puede ser inflamable o corrosivo y tambi!n por el tipo de aislamiento aislamiento R posee la maquina ya que puede haber fugas en esta, todo esto se debe de considerar para tener una adecuada selecci"n ya que es un tema muy importante para la utilizaci"n de una turbomaquina en las condiciones que se tienen y los resultados y aplicaciones que se desean, as tambi!n en el ambiente en el que se localizara la máquina. #n este trabajo se trat" de dar un aspecto en cuanto al funcionamiento de diversa turbomaquinaria, as como los ambientes en los cuales se pueden manipular, considerando aspectos como sus caractersticas, aplicaciones y fluidos con los cual se maneja. #(iste una amplia gama de turbomaquinaria, en bombas, turbinas, motores. 'e trat" de dar una amplia e(plicaci"n sobre esto, aunque consideramos que hay a+n mucha informaci"n sobre diversos temas con respecto a la turbomaquinaria.
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&I&$IO>R%!A% •
Mecánica de fluidos: fundamentos y aplicaciones. Yunus A. Cengel, John M. Cimbala. Primera Edición. McGraw Hill 2006
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Bombas; teoría, diseño y aplicaciones. Manuel Viejo Zubicaray. Editorial Limusa
•
Turbomáquinas hidráulicas: principios fundamentales. Polo Encinas, Manuel. Tercera edición. Limusa 1983
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Turbomáquinas hidráulicas: turbinas hidráulicas, bombas, ventiladores. Claudio Mataix. Segunda edición. Universidad Pontificia Comillas 2009.
•
Mecánica de fluidos. Streeter, Wylie. Sexta edición. McGraw Hill.
•
Conversión de energía. V. Kadambi, Manohar Prasad. Mexico, Limusa 1983
•
Mecánica de fluidos y maquinas hidráulicas. Claudio Mataix. Segunda edición. Ediciones del Castillo.
•
Mecánica de fluidos. Irving H. Shames. Tercera edición. McGraw Hill.
•
Manual del Ingeniero Mecánico. Eugene A. Avallone, Theodore Baumeister III. McGraw Hill
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