Turbinas y Turbo-máquinas (Trabajo)

TURBOMÁQUINAS 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 energía para realizar un determinado trabajo. Para realizar este trabajo, las máquinas pueden utilizar cualquier tipo de energía disponible, por ejemplo la energía térmica del sol, la energía eólica del viento, la energía hidráulica de corrientes naturales de agua, energía mecánica, energía eléctrica, etc. En nuestro caso, nos enfocaremos solo al estudio de las máquinas que funcionan con una corriente fluida, es decir con líquidos y gases. Considerando que en la utilización de las máquinas para la producción de trabajo la conversión de la energía se realiza con un determinado rendimiento, y que las máquinas tienen un límite de dimensión física y de resistencia mecánica, nos interesa conocer de cuáles parámetros depende la potencia para tener una idea de cómo podemos incrementarla respetando los límites físicos impuestos y de cómo podemos incrementar el rendimiento de conversión de la energía.

1. GENERALIDADES Turbina es el nombre más común que se da a la mayoría de las turbomáquinas motoras. Éstas son máquinas de fluido, a través de las cuales pasa un fluido en forma continua y este le entrega su energía a través de un rodete con paletas o álabes.

Las turbinas constan de una o dos ruedas con paletas, denominadas rotor y estator, siendo la primera la que, impulsada por el fluido, arrastra el eje en el que se obtiene el movimiento de rotación. El término turbina suele aplicarse también, por ser el componente principal, al conjunto de varias turbinas conectadas a un generador para la obtención de energía eléctrica.

En las turbomáquinas el fluido de trabajo puede ser un líquido (comúnmente agua, aunque para el caso de las bombas de líquido la variedad de fluidos es muy grande) o un gas o vapor (comúnmente vapor de agua o aire, aunque nuevamente para los compresores la variedad de gases a comprimir puede ser muy grande).

2. CLASIFICACIÓN.

Las turbomaquinas que se clasifican en: 2.1 TURBOMAQUINAS TERMICAS Son aquellas que trabajan con fluidos compresibles, con diferencia de presión entre la entrada y la salida de la turbomáquina mayores o iguales a 2500 mm de agua. De tal forma que se registra un cambio apreciable en el volumen específico del fluido entre la entrada y la salida del equipo. Entre ellos se encuentran: las turbinas térmicas y los compresores. 2.1.1 TURBINAS TERMICAS

Son máquinas en las que el fluido de trabajo le cede energía a un rotor provisto de álabes basados en el principio de cantidad de movimiento, y originándose un cambio apreciable en el volumen específico del fluido. 

COMPONENTES PRINCIPALES. - CARCASA: es la parte estática de la turbina que sustenta y sostiene el rotor provisto de álabes. - TOBERAS: son dispositivos que se utilizan para transformar energía de presión en energía cinética necesaria para mover el rotor provisto de álabes. En turbinas de varias etapas o coronas de álabes móviles, éstas forman parte de la carcasa y se conocen con álabes fijos. -

ROTOR CON ÁLABES MÓVILES: es el dispositivo en donde la energía cinética es transformada en energía mecánica por l movimiento del rotor.

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REGULADOR DE VELOCIDAD: es un dispositivo para mantener una velocidad constante en el rotor, actúa controlando o regulando el flujo de fluido en la entrada de la turbina.

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VÁLVULA DE CIERRE RÁPIDO: es un dispositivo que actúa en caso de emergencia cuando el rotor alcanza velocidades por encima de la máxima permitida o de diseño. Actúa cortando el flujo de fluido en la entrada de la tubería.

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SISTEMA DE ROTACIÓN LENTA: se utiliza en turbinas de varias etapas y con ejes largos, su función es mantener la rotación del eje hasta que éste se enfríe luego que la turbina está fuera de servicio. Se hace con el fin de que el eje no se doble o flexe ya que si esto ocurre la turbina no puede ser arrancada de nuevo. Porque si el eje se dobla los álabes móviles se encontrarían incrustados en la carcasa y los fijos en el eje.

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SISTEMA DE LUBRICACIÓN: se utiliza para levantar el eje en el arranque de la turbina y para proporcionar una película de aceite en el cojinete y el eje.

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VÁLVULA DE DRENAJE: se utilizan para drenar las turbinas antes del arranque ya que si existe agua, durante el arranque de la turbina se producen deformaciones en los álabes.

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CLASIFICACIÓN DE LAS TURBINAS TÉRMICAS.

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SEGÚN EL TIPO DE FLUIDO - VAPOR O COMBUSTIÓN EXTERNA: son aquellas en las que el fluido de trabajo durante el proceso no cambia sus propiedades, sólo cambia su estado. son utilizadas para generar electricidad o propulsión mecánica. -

Turbinas de Gas o de Combustión Interna: el fluido de trabajo es comprimido, se somete a un proceso de combustión de tal forma que sale de la turbina con propiedades diferentes. (Ciclo Brayton).

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SEGÚN EL GRADO DE REACCIÓN (GR) - GRADO DE REACCIÓN: es la relación que existe entre la caída de presión observada en el álabe móvil y la caída de presión en el álabe fijo.

Gr 

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P23 P1 2

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ACCIÓN: son aquellas en las que el grado de reacción es igual a cero. No se presenta caída de presión en el álabe móvil y presentan álabes simétricos. El vapor para a través de boquillas de expansión y alcanzan a las palas las cuales están dispuestas alrededor de ruedas que giran en un eje de transmisión.

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REACCIÓN: son aquellas en las que el grado de reacción es diferente de cero. Presentan caídas de presión en el álabe móvil y tienen álabes asimétricos. Es mas potente que la de acción diseñada para el mismo volumen de vapor. Constan de palas móviles y fijas dispuestas de tal forma que cada par actúa como boquilla de expansión.

APLICACIÓN DE LAS TURBINAS TÉRMICAS

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Son utilizadas para el accionamiento de equipos como bombas, compresores y ventiladores. Para la generación de potencia eléctrica En plantas termoeléctricas de vapor y termoeléctricas de gas En la industria naval, aérea o náutica y automotriz.

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2.1.2 LAS TURBINAS DE VAPOR Una turbina de vapor es una turbomáquina motora, que transforma la energía de un flujo de vapor en energía mecánica a través de un intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido de trabajo y el rodete, órgano principal de la turbina, que cuenta con palas o álabes los cuales tienen una forma particular para poder realizar el intercambio energético. 

SEGÚN EL SUMINISTRO Y ESCAPE DE VAPOR SE CLASIFICAN:

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TURBINA DE CONTRAPRESIÓN, en la que la presión del vapor a la salida de la turbina está por encima de la presión atmosférica y es susceptible de poder ser empleado en un proceso industrial.

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TURBINA DE CONDENSACIÓN, en la que el vapor se expande desde la presión de entrada hasta una presión por debajo de la atmosférica, condensando posteriormente y bombeando el agua a la caldera; es el

tipo de turbina empleado en las centrales térmicas de generación de energía eléctrica.

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TURBINA DE EXTRACCIÓN, que consiste en una turbina con una toma de vapor en la carcasa para alimentar un determinado servicio, o precalentar del agua de alimentación de la caldera; la turbina de extracción puede ser de condensación o no. La presión de extracción se mantiene constante al variar el caudal del vapor extraído por medio de un regulador de presión que actúa sobre el vapor de entrada en la turbina; si la extracción no se controla, la presión del vapor extraído estará sometida a variaciones importantes en función del caudal de vapor de salida de la turbina.

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COMPONENTES DE LA TURBINA DE GAS:

Sus componentes principales son básicamente los indicados para las turbinas de vapor, sin embargo se adicionan : Cámara de combustión, filtros para aire

de admisión y regenerador.El compresor debe ser de flujo axial para estos casos ya que debe comprimir los gases combustibles.  -

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CLASIFICACION: CICLO ABIERTO, Estas utilizan la cámara de combustión para suministrar calor al fluido de trabajo, pasando solo una vez por las turbinas. CICLO CERRADO, Estas siempre utilizan un proceso de transferencia para agregar o retirar calor al fluido de trabajo, permitiendo reciclarlo continuamente y mantener controlada su densidad. Emplean combustibles tales como gas natural, kerosen o gasoil.

APLICACIONES:

Aviación militar y comercial (propulsión a chorro), helicópteros, generación de electricidad, naviera, cuando se requiere transportar gas por gasoductos.