Universidad Nacional Experimental
“Francisco de M iranda”
Complejo Académico el Sabino Área de Tecnología. Programa de Ingeniería Mecánica Catedra: Maquinas Térmica Profesor: Alejandrina Martínez
Guía de Maquinas Térmicas Tema 5 Turbinas Radiales Y Compresores Centrífugos
German Loaiza
Elaborado por: Yhonder Yohangel Vargas Chirinos Punto Fijo, Julio 2017
Roberto Naveda
Tema 5
– turbinas radiales - UNEFM
Tema
Guía de Maquinas Térmicas
V
Turbinas Radiales Y Compresores Centrífugos
Introducción
En la vida cotidiana es muy común el uso de máquinas en diferentes trabajos que se usan con el fin de realizar un trabajo en el menor tiempo y esfuerzo posible. Ya que una máquina es un dispositivo que convierte la energía para realizar un determinado tra bajo. Para realizar este trabajo, las máquinas pueden utilizar cualquier tipo de energía disponible En nuestro caso, nos enfocaremos en el estudio de las máquinas que funcionan con una corriente fluida, es decir con líquidos y gases. Las turbínales radiales y los compresores centrífugos son turbomaquinas máquinas que efectúan una transformación de parte de la energía contenida en un fluido en energía mecánica, y viceversa. Ésta transformación se lleva a cabo a través de la interacción entre una corriente fluida y un elemento mecánico que forma parte de la máquina misma
Turbinas radiales Las turbinas radiales de fluido compresible, son turbomaquinas térmicas capaces de aprovechar la energía proveniente del fluido en forma de impulso rotatorio. Las turbinas radiales pueden manejar niveles de flujo más lentos que los que podría manejar una axial, por lo tanto estas turbinas son utilizadas cuando existen demandas pequeñas de potencia. Además de esto están construidas con un diseño robusto, permitiendo elaborar un fácil y cómodo mantenimiento a menor costo que las turbinas axiales. La turbina radial tiene muchos componentes similares al compresor centrífugo, sin embargo los nombres y funciones de las partes difieren. Existen 2 tipos de turbinas radiales, el cantiléver y la centrípeta
Aplicaciones:
Se puede utilizar para el bombeo y almacenamiento hidroeléctrico Se puede emplear en el salto de distintas alturas dentro de una amplia gama de caudal (entre 2 y 200 m3/s aproximadamente). Instalaciones hidráulicas.
Tema 5
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Ventajas
Baja perdida hidráulica. Alta eficiencia. Bajo costo en acoplamiento con el generador. Operan a grandes rango de altura y caudales Su diseño hidrodinámico permite bajas perdidas hidráulicas, por lo cual se garantiza un alto rendimiento Su diseño es robusto, de tal modo se obtienen décadas de uso bajo un costo de mantenimiento menor con respecto a otras turbinas. Junto a sus pequeñas dimensiones, con lo cual la turbina puede ser instalada en espacios con limitaciones físicas, también permiten altas velocidades de giro. Junto a la tecnología y a nuevos materiales, las nuevas turbinas requieren cada vez menos mantenimiento
Desventajas
Bajo rendimiento a cargas parciales. Alto desgaste de erosión por su geometría Son muy costosas de diseñar, fabricar e instalar No es recomendado para alturas mayores de 800 m, por las presiones existentes en los sellos de la turbina. Hay que controlar el comportamiento de la cavitación No es la mejor opción para utilizar frente a grandes variaciones de caudal debido a que el rendimiento cae al disminuir el caudal de diseño, por lo que se debe tratar de mantener un flujo de caudal constante previsto, antes de la instalación.
Tipos de Turbinas Radiales
La turbina radial tipo cantiléver , posee alabes bidimensionales y usa ángulos de entrada no radiales. En este caso no hay aceleración del flujo a través del rotor, el cual es el equivalente, a una turbina de acción, además este tipo de turbina no es muy utilizada por su baja eficiencia.
La turbina radial centrípeta es el tipo más usado actualmente. El funcionamiento Tema 5
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es el siguiente: el colector recibe el flujo de gases de la combustión, este colector comúnmente tiene área transversal decreciente, y en algunos diseños, este colector es
Usado como toberas directoras, este tipo de uso del colector es empleado comúnmente en los turbocompresores donde la eficiencia no es muy importante. En el caso de que se use toberas directoras, estas son fijadas alrededor del rotor y su función es guiar el flujo hacia los alabes dándoles la dirección adecuada. El flujo es acelerado en su viaje a través de los alabes del rotor, y en el caso de turbinas de baja reacción la aceleración total ocurre en las toberas. La turbina radial consta de varias partes que se muestran a continuación, junto con los diagramas de velocidades nominales .
Partes Turbina centrípeta y Turbina cantiléver Difusor
Anillo de desgaste
Voluta
Eje
Rodete
Empaquetamiento
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Cuadro comparativo
Turbinas centrípetas
Es el tipo más usado actualmente
Alta eficiencia
Usa un colector
El flujo es acelerado en su viaje a
Turbinas cantilever
utilizada
Baja eficiencia
Posee alabes bidimensionales y usa ángulos de entrada no radiales
través de los alabes del rotor
Usa toberas directoras
Es una turbina de acción
Este tipo de turbina no es muy
No hay aceleración del flujo a través del rotor
Puede ser turbinas reacción
Esquema de partes y Triangulo de velocidades
Nozzle Blades:Boquilla
Rotor :Rotor
Diffuser:Difusor
Tema 5
– turbinas radiales - UNEFM Shroud:Manto
Scroll.Voluta
Ecuaciones
El trabajo específico hecho por el rotor viene expresado de la siguiente manera,
Para el diseño normal
y
Por lo que,
La eficiencia total-estática viene dada por,
De igual manera, la eficiencia total-total se puede obtener mediante esta relación,
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Otra relación importante es la relación del número de Mach con las velocidades y ángulos, donde se obtiene que:
Diagrama de Mollier
Compresores Centrífugos
Tema V-Compresores centrífugos -UNEFM
Los compresores centrífugos, también llamados compresores radiales, son un tipo especial de turbomaquinaria que incluye bombas, ventiladores, o compresores. El compresor centrífugo es una turbomáquinas que consiste en un rotor que gira dentro de una carcasa provista de aberturas para el ingreso y egreso del fluido. El rotor es el elemento que convierte la energía mecánica del eje en cantidad de movimiento y por tanto energía cinét ica del fluido. En la carcasa se encuentra incorporado el elemento que convierte la EC en energía potencial de presión (el difusor) completando así la escala de conversión de energía. De forma ideal, un compresor dinámico aumenta la presión del fluido a base de comunicarle energía cinética-energía/velocidad con el rotor. Esta energía cinética se transforma en un incremento de presión estática cuando el fluido pasa por un difusor. El difusor puede ser del tipo de paletas sustancialmente radiales, o de caracol.
Aplicaciones Son especialmente adecuados para aplicaciones donde se requiere un trabajo
continuo
Sistemas de ventilación
Unidades de refrigeración
Para mover grandes volúmenes de aire aumentando su presión mínimamente
Reinyección de gas natural en los pozos de petróleo para su extracción
Motores turborreactores de pequeñas aeronaves (turboejes de helicópteros y algunos turbohélices) En pequeñas turbinas de gas como APUS (generadores auxiliares)
Partes Carcasa
Impulsor
Alimentación
Válvula de derivación
Separador de agua
Difusor
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Carcasa: Ésta es la cubierta en forma de espiral que rodea a las hojas del impulsor del compresor, y constituye la mayor parte de su masa. La carcasa tiene un orificio circular en el frente a través del cual pasa el aire de entrada, una zona interior en la cual el aire es comprimido, y un puerto de salida por el cual escapa el aire presurizado .
Impulsor: Cuando se aplica potencia en su eje, el impulsor rota (en general se lo conecta a un motor en la mayoría de los casos o a la salida de una turbina en el caso de los turbocompresores), sus hojas curvas empujan el aire y lo hacen girar dentro de la carcasa. El impulsor puede estar hecho de hierro, acero, bronce, aluminio o plástico, dependiendo de la aplicación, y la mayoría son cilíndricos. Las aplicaciones de poco volumen usan impulsores tipo plato con una serie de hojas curvas unidas al plato por detrás
Alimentación: Los compresores pueden ser alimentados de distintas maneras, pero la mayoría funcionan a través de un motor eléctrico. Algunos son alimentados con un motor de combustión interna, y otros con una correspondiente turbina conectada al impulsor mediante un eje. Las aplicaciones en las que se usa una turbina como fuente de potencia incluyen los turbocompresores, los motores de aeroplanos y las centrales eléctricas de vapor.
Válvula de derivación: En los compresores alimentados con un motor, estas válvulas ventilan aire para prevenir una sobre presión del sistema. Las válvulas pueden tener actuadores eléctricos, pero la mayoría son controladas mediante la presión de un resorte. Los turbocompresores a menudo tienen una ventilación incorporada que permite la salida de gases para derivar el escape de la turbina, controlando su velocidad y mejorando su salida.
Separador de agua: Estos dispositivos varían en su diseño, pero su propósito principal es quitar la humedad del aire comprimido. El agua tiende a condensar en el sistema como resultado de la compresión, lo cual significa esencialmente que el vapor en aerosol se comprime nuevamente a su estado líquido. El agua líquida debe ser removida de un sistema compresor de aire para prevenir la corrosión, las
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inconsistencias en la presión y el congelamiento de las herramientas cuando se libera la presión.
Difusor: Es el encargado de dirigir el fluido hacia el interior pero no a través del eje sino hacia la cámara de combustión .Es la parte integral de la carcasa del Compresor y puede estar fijado por separado .En cada caso se compone de una series de paletas de forma tangencial al disco
Esquema de partes y Triángulos de velocidades
Collector Scroll: Desplazamiento de colector Diffuser Vanes: Paletas de difusor
Impeller :Impulsor
Hub: El centro
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Shroud: Manto
Eye: Ojo
Inducer Section: Sección de inductor Influencia del Angulo del entrada
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Prerrotacion
En los compresores centrífugos, existen varios métodos de regulación de la capacidad (potencia) en función de la demanda, algunos de estos métodos son: reducción de la velocidad de giro, bypass de vapor de la descarga a la aspiración y la prerrotación. El método más común de reducción de carga son los dispositivos de prerrotación (válvulas), cuando la carga baja, el caudal de refrigerante debe reducirse por lo que las válvulas se cierran para adaptarse a las necesidades. Con la prerrotación el control de capacidad puede mantenerse en el rango de 10 % a 100 %. Es aplicado en los álabes a la entrada del compresor Las válvulas de prerrotación son el sistema más barato, simple y efectivo de regulación en compresores centrífugos. Algunas veces éste método puede ser combinado con sistemas de control por variación de frecuencia sobre el motor eléctrico de accionamiento
Diagrama de Mollier
Ecuaciones
Donde el tramo 0-1 representa el paso del flujo por la carcasa, el tramo 1-2 el paso del flujo por el impulsor y el tramo 2-3 el paso del flujo por el difusor del compresor.
En la carcasa, la entalpía de estancamiento permanece constante y el fluido acelera de c0 a c1, donde se tiene que ,
En cuanto al tramo del impulsor, se tiene un cambio de entalpía que viene representado de esta manera,
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Para saber el desempeño de compresor, existen unas ecuaciones que nos dicen que tanto puede trabajar. Para el trabajo específico se tiene que,
La eficiencia del compresor se define de esta manera
Donde,
Para un diseño óptimo a la entrada del impulsor se utilizan estas relaciones,
A su vez, se debe considerar el factor de deslizamiento para calcular las velocidades, el cual viene expresada de esta manera ,
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Su efecto en el triángulo de velocidades viene dado en la siguiente figura,
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Conclusión Las turbomáquinas radiales han resultado desde sus inicios de gran utilidad para la sociedad ya que como se pudo observar con los co nceptos aprendidos anteriormente son de bajo coste y de relativa fácil fabricación en comparación con las turbomáquinas axiales. Gracias a los avances tecnológicos se han realizado búsquedas de un campo mucho más amplio de aplicaciones para las turbomáquinas radiales. Por lo tanto mediante la investigación realizada acerca de las turbinas radiales, podemos obtener un amplio conocimiento sobre todo lo relacionado de esta misma, desde sus partes hasta las aplicaciones y sus tipos. Demostrando estos conocimientos obtenidos en cualquier ámbito laboral a nivel industrial. Además de ello de igual manera se obtuvo un amplio conocimiento sobre los compresores centrífugos, y lo importarte de su aplicación. Además de ello, de sus diferentes partes con su respectivo funcionamiento, se logró observar que cada parte cumple una gran función en el compresor. Se logró observar la importancia de aplicar e l diagrama de mollier en las turbinas radiales y e n los compresores centrífugos. Y gracias a las diferentes ecuaciones podremos obtener diferentes tipos de resultados que son sumamente importantes para obtener un análisis completo sobre estas turbomaquinas.
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Bibliografía
http://www.git.uji.es/docencia/Apuntes/Tec_Frig/TF_4_COMP_CENTRIF.pdf
http://gecousb.com.ve/guias/GECO/Turbom%C3%A1quinas%20T%C3%A9rmicas%20(CT3412)/Material%20Te%C3%B3rico%20(CT-3412)/CT3412%20Tema%2010%20Compresores%20Centr%C3%ADfugos.pdf
file:///C:/Users/Personal/Downloads/Gu%C3%ADa%20Tema%204%20%20Compresores%20(1).pdf
https://drive.google.com/file/d/0B4YO0A-853nTNUZMOUhmMWZiZ2c/edit
http://files.pfernandezdiez.es/Compresores/PDFs/4Compresores.pdf
http://turbomaquinastermicasct3412.blogspot.com/p/turbinas-radiales.html
http://www.atmosferis.com/turbinas-radiales-centripetas/
http://cdigital.dgb.uanl.mx/te/1020070588/1020070588_02.pdf
http://www.unet.edu.ve/~turbomaq/PAG%20TESIS-46.htm
