TURBINAS                                                      Por Jorge Gonzalez DelfinINTRODUCCIONLa turbina hidráulica e...
La función de una turbina y de toda máquina hidráulica es efectuar un cambiode energía entre un sistema mecánico y un sist...
Sin embargo, el significado de estos términos se ha ido modificando con el uso.   •   Turbina de Impulsión (Acción):Actual...
Posee las mejores características para grandes alturas, y desde luego es laúnica máquina capaz de funcionar con alturas su...
En la turbina Pelton actual, la energía cinética del agua, en forma de chorrolibre, se genera en una tobera colocada al fi...
La velocidad especifica es baja, entre 10 y 60 en el sistema metrico y entre 2y 12 en el sistema ingles aproximadamente, s...
12-. Freno de la turbina.13-. Blindaje.14-. Destructor de energía.A continuación se presenta un diagrama de una Turbina Pe...
CLASIFICACIÓN DE TURBINAS PELTON.La clasificación más general que puede hacerse de las turbinas Pelton es entipos de eje h...
En este tipo de turbinas Pelton el numero de chorros por rueda se reducegeneralmente a uno o dos, por resultar complicada ...
Con el eje horizontal se hace también posible instalar turbinas gemelas para unsolo generador colocado entre ambas, contra...
Por otra parte, las turbinas Pelton se clasifican también en sencillas (un rodetey un chorro) y múltiples.Las turbinas Pel...
RUEDA PELTON.Por otra parte, la fundición por separado de disco y alabes ha sido la formamas tradicional, ya que no solo s...
El material del disco de la rueda es de acero fundido o forjado.El numero de alabes suele ser de 17 a 26 por rueda, depend...
ALABES PELTON.TURBINAS PELTON Y EL NUMERO ESPECIFICO DE REVOLUCIONES.Todas las turbinas hidráulicas geométricamente semeja...
Las turbinas Pelton cuyo ns es pequeño se llaman lentas y aquellos cuyo ns esgrande se llaman rápidas.En efecto, la ecuaci...
La rueda de álabes o rodete tenía más bien la forma del rodete de una bombacentrífuga, siendo el flujo predominante radial...
Debido a los problemas (por ejemplo, estanqueidad de las juntas) que planteanlas altas presiones y velocidades, existe un ...
La instalación general no difiere grandemente de la que hemos visto para laturbina Francis. Los álabes directores comunica...
Las turbinas que utilizan el impulso del chorro para mover los álabes sedenominan turbinas de acción (fig. 1).En ellas las...
EJEMPLOS CONSTRUCTIVOSEjemplo teórico:La figura 2 representa una turbina de acción en la cual toda la caída de presióna te...
Fig.2PRESIONES TÍPICASPresión típica en las toberas:Si para una tobera determinada, en la cual las áreas de las secciones ...
Si la presión de salida continúa decreciendo, el flujo no aumenta, como podíaesperarse, sino que permanece constante a lo ...
Escalonamientos de las turbinas de vapor:Los escalonamientos de las turbinas tienen por objeto disminuir la velocidaddel r...
Cada figura va acompañada del gráfico que representa la relación que existeentre la presión y velocidad de cada turbina.  ...
Fig. 5En la figura 6 aparece una turbina con escalonamiento de presión y develocidad.La velocidad desarrolladas en las tob...
de álabes, es decir un escalonamiento de velocidad por escalonamiento depresión.Cada grupo de toberas transforma una porci...
Todas las turbinas de acción diseñadas para gran rendimiento emplean elescalonamiento Rateau seguido de un escalonamiento ...
Nv = 1250.3 / 461.6 = 2.7Empléense dos escalonamientos de velocidad.  Escalonamientos de presión:Velocidad del vapor a abs...
TURBINAS DE GAS.El concepto de turbinas de gas es el más antiguo que el de los otros motoresprimarios, pero su perfecciona...
empuje; dispuestos para funcionar con un sistema de lubricación a presióncomún para la turbina de gas y la máquina impulsa...
La turbina de potencia, como se mencionó, es de construcción resistente ycomparte los accesorios, instrumentos y sistemas ...
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  1. 1. TURBINAS Por Jorge Gonzalez DelfinINTRODUCCIONLa turbina hidráulica es una turbomáquina motora, y por tanto esencialmente esuna bomba rotodinámica que trabaja a la inversa.Así como una bomba absorbe energía mecánica y restituye energía al fluido;una turbina absorbe energía del fluido y restituye energía mecánica.Las turbinas hidráulicas son la evolución natural de la sencilla rueda hidráulica.Cuando se une a un generador constituye un medio extraordinariamente eficazde convertir energía hidráulica en eléctrica.Aunque la inversión necesaria para un complejo hidroeléctrico, es muy grande,pero las ventajas existentes son muchas, como el alto rendimiento, laflexibilidad operativa, el bajo consumo y deterioro (siempre que no hayasequía), el complejo hidroeléctrico constituye una fuente inagotable de energíaen que las turbinas cumplen el papel principal.TURBINAS
  2. 2. La función de una turbina y de toda máquina hidráulica es efectuar un cambiode energía entre un sistema mecánico y un sistema fluido.Los únicos tipos de máquina hidráulica con los cuales se relaciona directamenteson las turbinas.El uso de artificios mecánicos elementales para transformar energía mecánicaen otra energía optativa se puede encontrar la turbina hidráulica sencilla quees una evolución natural de la rueda hidráulica, aunque el parecido físico es muyremoto.Los elementos constitutivos de una turbina son:1-. Canal de llegada (lámina libre) o tubería forzada (flujo a presión).2-. Caja Espiral: transforma presión en velocidad.3-. Distribuidor4-. Rodete.5-. Tubo de aspiraciónCLASIFICACION DE LAS TURBINAS1-. Turbinas de Impulso o Acción: Pelton, Laval, Curtiss, etc.2-. Turbinas de Reacción: Francis, Dériaz, Hélice y Kaplan.OBS: El grado de reacción para una turbina se define como la razón entre laaltura de presión absorbida por el rodete y la altura total absorbida por elrodeteEstos apelativos proceden de que en las primitivas y rudimentarias máquinas, lapotencia se obtenía, bien del impulso comunicado por el agua al dar contra unaspaletas giratorias, o bien de la reacción producida al salir de ellas.
  3. 3. Sin embargo, el significado de estos términos se ha ido modificando con el uso. • Turbina de Impulsión (Acción):Actualmente se le llama a aquella en la que la energía de presión o potencial delagua se convierte en energía cinética antes de que esta agua incida sobre unalimitada porción periférica de un elemento rotativo, sin que haya un cambioposterior de presión.Las actuales máquinas de impulsión son casi todas del tipo Pelton, siendo lasconvenientes para grandes alturas. • Turbina de Reacción:La conversión inicial presión- velocidad se realiza sólo parcialmente, de formaque el agua entra en el elemento rotativo por toda la periferia y el flujo pasapor todos los espacios libres.Las modernas turbinas de reacción son del tipo Francis o bien de hélice,utilizándose para alturas medias y bajas respectivamente.A diferencia de las bombas, la mayoría de las turbinas han de funcionar apotencia distinta de la normal durante considerables períodos de tiempo,haciéndose frente a las variaciones de carga, mediante la regulación de lacantidad de agua, pero manteniendo constante la velocidad de sincronismo.TURBINAS PELTON.Este tipo de turbina fue creada y patentada en 1889 por el norteamericanoLester Allan Pelton.El principio de funcionamiento es relativamente simple, ya que constituye unaevolución lógica de la antigua rueda hidráulica.
  4. 4. Posee las mejores características para grandes alturas, y desde luego es laúnica máquina capaz de funcionar con alturas superiores a 1.700 m.Son notables su suavidad de giro y su buen funcionamiento a carga parcial. Enla figura se muestra la disposición típica de una turbina Pelton.La tobera lanza a la atmósfera un chorro de alta velocidad que incide sobre unaserie de cucharas o álabes montados en la periferia de una rueda.El par ejercido por el impacto y la desviación del chorro provoca el giro de larueda. Una vez transmitida su energía a la rueda, el agua sale de los álabes avelocidad relativamente baja y es dirigida hacia el canal de desagüe.Por tanto, la turbina ha de estar colocada a suficiente altura sobre el nivelmáximo de crecida para asegurar el derrame libre.
  5. 5. En la turbina Pelton actual, la energía cinética del agua, en forma de chorrolibre, se genera en una tobera colocada al final de la tubería a presión.La tobera está provista de una aguja de cierre para regular el gasto,constituyendo en conjunto, el órgano de alimentación y de regulación de laturbina.Encuentra justa aplicación la turbina Pelton, en aquellos aprovechamientoshidráulicos donde la ponderación de la carga es importante respecto al caudal.
  6. 6. La velocidad especifica es baja, entre 10 y 60 en el sistema metrico y entre 2y 12 en el sistema ingles aproximadamente, siendo preferibles valorescentrales entre estos limites por razones del rendimiento, el cual es del ordendel 90% y se conserva bastante bien a carga parcial.Entre las turbinas Pelton mas grandes instaladas hasta el momento seencuentran las de Mont- Cenis (Alpes franceses) de 272000 HP cada una, bajo870 m de carga.ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE TURBINAS PELTON.Una instalación típica de Turbinas Pelton consta de los siguientes elementos:1-. Codo de entrada.2-. Inyector: transforma la energía de presión en energía cinética. La velocidaddel chorro a la salida del inyector en algunas instalaciones llega a 150 m/seg yaún más consta de tobera y válvula de aguja.3-. Tobera.4-. Válvula de Aguja.5-. Servomotor.6-. Regulador.7-. Mando del deflector.8-. Deflector o pantalla deflectora.9-. Corro.10-. Rodete.11-. Álabes o cucharas.
  7. 7. 12-. Freno de la turbina.13-. Blindaje.14-. Destructor de energía.A continuación se presenta un diagrama de una Turbina Pelton:
  8. 8. CLASIFICACIÓN DE TURBINAS PELTON.La clasificación más general que puede hacerse de las turbinas Pelton es entipos de eje horizontal y tipos de ejes vertical:1-. Turbinas Pelton de Eje Vertical:
  9. 9. En este tipo de turbinas Pelton el numero de chorros por rueda se reducegeneralmente a uno o dos, por resultar complicada la instalación en un planovertical de las tuberías de alimentación y las agujas de inyección.Este sistema de montaje encuentra aplicación en aquellos casos donde setienen aguas sucias que producen deterioros o notable acción abrasiva.
  10. 10. Con el eje horizontal se hace también posible instalar turbinas gemelas para unsolo generador colocado entre ambas, contrarrestando empujes axiales.2-.Turbinas Pelton de Eje Horizontal:En este tipo de turbinas Pelton se facilita la colocación del sistema dealimentación en un plano horizontal, lo que permite aumentar el numero dechorros por rueda (4 a 6); con esto se puede incrementar el caudal y tenermayor potencia por unidad.Se acorta la longitud del eje turbina- generador; se amenguan lasexcavaciones; se puede disminuir el diámetro de rueda y aumentar la velocidadde giro, se reduce en fin el peso de la turbina por unidad de potencia.Esto hace que la utilización de esta disposición en turbinas Pelton sea másventajosa que la disposición horizontal.Su aplicación es conveniente en aquellos casos donde se tienen aguas limpiasque no produzcan gran efecto abrasivo sobre los alabes e inyectores, debido aque la inspección y las reparaciones con este montaje se hacen mas difíciles.
  11. 11. Por otra parte, las turbinas Pelton se clasifican también en sencillas (un rodetey un chorro) y múltiples.Las turbinas Pelton se multiplican por el número de chorros, llamándose Peltondoble, triple, etc.Las turbinas Pelton séxtuples (1 rodete de eje vertical y 6 chorros) cayeron untiempo en desuso, por la complicación que entraña su duodécuple regulación (6inyectores y 6 pantallas deflectoras y por tanto, 12 servomotores)EL ROL DE LA RUEDA Y LOS ÁLABES EN LA TURBINA PELTON.El rodete o rueda Pelton, como se muestra en la figura, esta constituido por undisco de acero con alabes periféricos en forma de doble cuchara.Estos pueden estar fundidos en el disco en una sola pieza o individualmente,sujetándose después al disco por medio de bulones.El diámetro de la rueda suele ser grande, quedando determinado por lanecesidad de instalar el número requerido de álabes de dimensiones apropiadasy evitar al mismo tiempo las salpicaduras.Por tanto, dependerá del diámetro del chorro; la relación entre el diámetro dela rueda y el diámetro del chorro, suele oscilar entre 10 y 14.Generalmente el montaje es horizontal resultando a veces económico elmontaje gemelo de dos ruedas Pelton, una a cada lado del alternador.
  12. 12. RUEDA PELTON.Por otra parte, la fundición por separado de disco y alabes ha sido la formamas tradicional, ya que no solo se facilita la construcción (fundición, maquinadoy pulido de piezas) sino que también hace posible la reposición de cucharasaveriadas por la erosión.Sin embargo, modernamente se advierte una gran tendencia a fundir el disco yalabes en una sola pieza, sobre todo cuando se trata de ruedas de altavelocidad especifica.Se consigue con este procedimiento mayor rigidez y solidez; uniformidad en laresistencia y montaje rápido. Para la misma potencia, las ruedas resultan másligeras.Métodos modernos de fundición y de control de calidad (Magnaflux, Magnaglo,ultrasonidos, etc.) permiten obtener piezas sin grietas ni fisuras en eltemplado.El material de los alabes debe resistir a la fatiga, a la corrosión y a la erosión.Cuando estas acciones son moderadas puede bastar la fundición de grafitolaminar.Si las condiciones de trabajo son mas drásticas debe recurrirse al acero, alcarbono aliado con níquel (0.7 a 0.1)- molibdeno (0.3).Aceros con 13% de cromo y los aceros austeno- ferriticos (Cr 20, Ni 8, Mo 3)presentan una resistencia extraordinaria a la cavitación y la abrasión.
  13. 13. El material del disco de la rueda es de acero fundido o forjado.El numero de alabes suele ser de 17 a 26 por rueda, dependiendo de lavelocidad especifica de la turbina. Para alta velocidad especifica el numero dealabes es menor. En efecto, para una rueda de un diámetro determinado poruna carga y una velocidad de giro si la velocidad especifica es alta es que elgasto es grande, lo exige alabes mayores, y por tanto caben menos en la mismaperiferia de la rueda.El espacio requerido por alabe suele estar entre 1.4 do y 1.6 do , siendo " do" eldiámetro del chorro.El valor del coeficiente depende de la alta velocidad especifica por chorro.Para una alta velocidad especifica del chorro, el coeficiente será menor.El numero de alabes "z" será pues: pi Dp z =____________________________ (1.4 o 1.6)dosiendo Dp el diametro de la rueda Pelton medida al punto central de incidenciadel chorro.
  14. 14. ALABES PELTON.TURBINAS PELTON Y EL NUMERO ESPECIFICO DE REVOLUCIONES.Todas las turbinas hidráulicas geométricamente semejantes tienen un mismonúmero específico de revoluciones, "ns", siendo:ns = n Nu^1/2 Hn^-5/4 con: n = revolución por minuto Nu = potencia útil Hn = salto neto
  15. 15. Las turbinas Pelton cuyo ns es pequeño se llaman lentas y aquellos cuyo ns esgrande se llaman rápidas.En efecto, la ecuación anterior demuestra que de dos turbinas de la mismapotencia y el mismo salto neto, la que tenga un ns más pequeño girará máslentamente: dicha turbina es más lenta que la otra.Sin embargo, la misma ecuación demuestra que el término lento o rápido no serefiere al rpm real de la máquina. En efecto, si dos turbinas Pelton de nspequeño y grande respectivamente giran a la misma velocidad n y tienen lamisma potencia Nu, la turbina llamada lenta (aunque en este caso gira al mismorpm que la rápida) requerirá un salto mayor(para óptimo rendimiento) que laturbina llamada rápida.O bien, la misma ecuación demuestra que si estas dos turbinas giran al mismonúmero de revoluciones y trabajan en el mismo salto neto, la turbina rápidatendrá que desarrollar mayor potencia y por tanto, deberá absorber mayorcaudal, porque la altura neta es la misma (para óptimo rendimiento) que laturbina lenta.TURBINAS FRANCIS.La primera turbina a reacción que funcionó con éxito fue construida y ensayadaen 1849 por el ingeniero norteamericano J.B Francis.Su concepción aventajó a la de la mayoría de las formas anteriores en que elflujo se dirigía bajo presión en sentido centrípeto, con lo que cualquiertendencia a acelerarse (embalamiento) quedaba parcialmente contrarrestadapor la reducción de flujo debida al aumento de la fuerza centrífuga.
  16. 16. La rueda de álabes o rodete tenía más bien la forma del rodete de una bombacentrífuga, siendo el flujo predominante radial, con los mismos radios deentrada y salida para todas las líneas de corriente.Como surgió la necesidad de conseguir mayores potencias a velocidades másaltas, se hizo imperativo adoptar el rodete para flujos más caudalosos sinaumentar el diámetro.Esto solamente podía realizarse haciendo que el agua siguiera una direcciónradial- axial.El resultado de ello fue el tipo de turbina de flujo mixto que actualmente es elmodelo normal. Aunque las modernas turbinas de flujo centrípeto guardan pocasemejanza con la máquina Francis original, el principio de funcionamiento esesencialmente el mismo y el nombre se ha conservado. Actualmente se empleanpara alturas de 100 a 1500 ft, y como esta gama de alturas es la másfrecuente, la máquina Francis tiene una gran superioridad numérica sobre losdemás tipos. Concretamente, en Escocia hay preponderancia de estas turbinas.El agua se dirige (con una apreciable componente tangencial de la velocidad)hacia el rodete por medio de una carcasa en espiral (caracol) y un ciertonúmero de álabes de perfil aerodinámico (álabes directores) igualmenteespaciados en la periferia.Estos álabes directores son orientables, de modo que pueden abrir o cerrarcompletamente el paso del agua hacia el rodete, controlándose el grado deabertura desde el mando de la turbina a través de un mecanismo de enlace. Sumisión es guiar el flujo hacia el rodete con el mínimo grado de turbulencia, asícomo regular el caudal y, por tanto, la potencia suministrada.Al ser convergentes los álabes directores, la energía cinética a la entrada delrodete es mayor que en la tubería, y la costa de presión correspondiente serámenor.En su recorrido a través del rodete, el agua experimenta otra caída de presión,hasta que finalmente sale por el centro a baja presión y con escasa o ningunacomponente tangencial de la velocidad.El par motor que se obtiene procede de la desviación de la trayectoria del flujoy de la variación de las energías de presión y cinética.
  17. 17. Debido a los problemas (por ejemplo, estanqueidad de las juntas) que planteanlas altas presiones y velocidades, existe un límite superior para la altura con laque se puede utilizar este tipo de máquina.TURBINAS DE HELICE (KAPLAN).Este tipo de turbina de reacción es la contrapartida de la bomba de flujo axial,siendo muy semejantes los elementos rotativos.El rodete, en forma de hélice naval, es la evolución lógica de la turbina Francisde flujo mixto hacia una máquina más rápida y de mayor capacidad de flujo.Esta última consideración es importante por el hecho de que en una instalaciónhidroeléctrica hay que compensar la escasez de altura acrecentado el caudal.La gama de alturas más usuales para este tipo de turbina abarca desde 10 ft a120 ft, siendo 200 ft la altura máxima para máquinas pequeñas.El despegue y la cavitación resultan inevitables en el interior de las turbinas dehélice que funcionan a velocidades muy altas, siendo el inicio de la cavitación loque marca el límite máximo de la altura admisible.Desgraciadamente, la curva potencia- rendimiento de una turbina de hélice conálabes fijos presenta un máximo muy acusado, lo que indica unascaracterísticas de funcionamiento muy pobres a carga parcial.El problema fue resuelto en los comienzos de 1920 por Víctor Kaplan, profesoren Checoslovaquia, que creó una turbina en la que el ángulo de los álabes seajustaba automáticamente según la carga, estando el mecanismo deaccionamiento en la ojiva y en el interior del árbol vertical.Aunque la turbina Kaplan es mucho más costosa, la mejora de los resultados acarga parcial es tal, que la turbina con álabes fijos sólo se instala enemplazamientos donde la altura y la carga son constantes.
  18. 18. La instalación general no difiere grandemente de la que hemos visto para laturbina Francis. Los álabes directores comunican al agua una componenterotacional, a lo que sigue una desviación hacia la dirección del eje. Al acercarseal rodete, el movimiento del fluido se aproxima al de un vórtice espiral libre(vr=constante). La componente rotacional es absorbida por el rodete, con loque la velocidad de salida es totalmente axial. El tubo de aspiración cumple lamisma misión que en la turbina Francis y su forma es similar.La turbina tipo bulbo o tubular constituye un interesante avance en elaprovechamiento de pequeñas alturas. Consta de un rodete de hélice con álabesfijos, o tipo Kaplan, colocado axialmente dentro de un corto conducto forzado;el generador va acoplado directamente al rodete y eswtá alojado en un bulboinmerso en el flujo entrante. La entrada y la salida se han de diseñar de formaque sean mínimas las pérdidas de energía. Se calcula que la inversión que exigeuna instalación completa es un 40% que correspondería a la instalación Kaplanequivalente.TURBINAS DE VAPOR DE ACCIÓNLas turbinas son máquinas de flujo permanente, en las cuales el vapor entra porlas toberas y se expansiona hasta una presión más pequeña.Al hacerlo el chorro de vapor, adquiere una gran velocidad.Parte de la energía cinética de este chorro es cedida a los álabes de la turbina,de la misma manera que un chorro de agua cede energía a los cangilones de unarueda hidráulica.
  19. 19. Las turbinas que utilizan el impulso del chorro para mover los álabes sedenominan turbinas de acción (fig. 1).En ellas las toberas son fijas y van montadas sobre el bastidor. Pero tambiénes posible construir la turbina de manera que los espacios comprendidos entrelos álabes tengan la forma de toberas.Fig. 1Para el mejor conocimiento de las turbinas de vapor de acción se desarrollaránbrevemente los siguientes temas:• Ejemplos constructivos• Presiones Típicas• Escalonamientos de velocidad y de presión
  20. 20. EJEMPLOS CONSTRUCTIVOSEjemplo teórico:La figura 2 representa una turbina de acción en la cual toda la caída de presióna tenido lugar en la tobera, y una parte de la energía cinética resultante delvapor en movimiento es absorbida por los álabes de rotor.Las toberas de las turbinas de acción no pueden cubrir la totalidad de laperiferia del rotor, por cuya razón en un momento dado solamente parte de losálabes de la turbina reciben la acción de los chorros de vapor.Las primeras turbinas de este tipo eran las De Laval "clase A", cuyos elementosesenciales aparecen en la figura 1.El vapor se expansionaba desde la presión inicial a la de escape en el interiorde las toberas, y la energía cinética del chorro era absorbida por una solahilera de álabes montados en la periferia del rotor.Dichos álabes desviaban el chorro de vapor, tal como se representa, yabsorbían la mayor parte de la energía cinética, de forma que el vapor salía delrodete con una velocidad muy reducida.Algunas turbinas de este tipo están en servicio, pero en la actualidad ya no seconstruyen debido a que giran a velocidades comprendidas entre 10000 y30000 rpm.En una turbina de acción ideal el chorro de vapor que sale por una toberadebería llevarse al reposo en los álabes, y de esta suerte, cedería toda suenergía cinética a los mismos.En las turbinas de acción reales esto no es posible por razones de tipoconstructivo.Por este motivo siempre se produce una perdida de energía en la turbina acausa de la velocidad residual o final del vapor al abandonar el rodete.
  21. 21. Fig.2PRESIONES TÍPICASPresión típica en las toberas:Si para una tobera determinada, en la cual las áreas de las secciones rectas deentrada, garganta y salida son fijas, se dibuja una curva cuyas ordenadas seanen flujo de masa (kg/s) y cuyas abscisas se dan la relación entre las presionesde salida y entrada, resulta la curva representada en la figura 3. Cuando P2/P1= 1, es evidente que no hay desplazamiento de vapor.A medida que la presión de salida sé más pequeña que la de entrada, el flujoaumenta a lo largo de b hasta c.
  22. 22. Si la presión de salida continúa decreciendo, el flujo no aumenta, como podíaesperarse, sino que permanece constante a lo largo de c hasta a.El punto c, en el cual P2/P1 = 0.58, se denomina presión crítica (Pc) para elvapor húmedo.La abscisa de la presión crítica para el vapor recalentado es igual a 0.54. Parael aire y otros gases en los cuales k = 1.4, la presión crítica es 0.53. Estosvalores son racionales y pueden calcularse para las bases de los cuales seconozca el valor de k.Cuando se alcanza la presión crítica el medio adquiere la velocidad del sonido y,debido a que no se propaga alteración alguna en el medio para velocidades másgrandes que aquellas, una posterior disminución de la presión de salida noproduce efecto alguno en la presión existente delante de la garganta.Como consecuencia el flujo es máximo y constante para todos los valores de lapresión de salida inferiores a la crítica.Por encima de la presión crítica el flujo es función de la presión de escape.Fig. 3ESCALONAMIENTOS DE VELOCIDAD Y PRESIÓN
  23. 23. Escalonamientos de las turbinas de vapor:Los escalonamientos de las turbinas tienen por objeto disminuir la velocidaddel rodete conservando una velocidad de los álabes próxima al valor óptimo conrelación a la velocidad del chorro, es decir, esencialmente una mitad de lavelocidad del chorro en los rodetes de las turbinas de acción con un sóloescalonamiento, y la equivalente a la velocidad del chorro en los rodetes dereacción.La velocidad de un chorro de vapor puede ser muy elevada, dependiendo de lapresión y temperatura iniciales del vapor, así como también de lacontrapresión.Si toda la energía se transformase en trabajo útil con un sólo escalonamiento,sería necesario que la turbina girase a una velocidad comprendida entre 20.000y 40.000 rpm. Tal velocidad exigiría un reductir mecánico de dimensionesdesproporcionadas. Los dos tipos de escalonamiento utilizados corrientemente son: (1) depresión y (2) de velocidad.En el primer caso la caída de presión se produce en grupos de toberas deforma que la velocidad resultante del vapor es suficientemente baja para serabsorbida por una velocidad razonable del rodete.Este proceso se repite tantas veces como sea necesario para expansionar elvapor completamente y se denomina comúnmente escalonamiento Rateau. El escalonamiento de velocidad consiste en producir una gran caída depresión en un grupo de toberas y utilizar la velocidad resultante del vapor entantos grupos de álabes como sea necesario.Este método de escalonamiento se conoce por principio de Curtis.La figura 4a representa una turbina de acción con dos escalonamientos depresión (Rateau), y la figura 4b, otra con dos escalonamientos develocidad(Curtis).Finalmente la figura 5 representa una turbina de acción con un escalonamientode presión y otro de velocidad.
  24. 24. Cada figura va acompañada del gráfico que representa la relación que existeentre la presión y velocidad de cada turbina. Fig. 4
  25. 25. Fig. 5En la figura 6 aparece una turbina con escalonamiento de presión y develocidad.La velocidad desarrolladas en las toberas C del primer escalonamiento seutiliza en dos hileras de álabes D y F.Los álabes D absorben parte de la velocidad. A continuación el vaporexperimenta una inversión gracias a las paletas fijas E, y es dirigido hacia lasegunda hilera de álabes F, los cuales absorben la mayor parte de la velocidadrestante.Finalmente el vapor se expansiona en las toberas de entrada de nuevesucesivos escalonamientos de presión, cada uno de los cuales tiene una hilera
  26. 26. de álabes, es decir un escalonamiento de velocidad por escalonamiento depresión.Cada grupo de toberas transforma una porción de la energía disponible, la cual,una vez convertida en velocidad, se traduce en una velocidad del chorro devapor de casi el doble de la velocidad del álabe. Fig. 6La capacidad de transformación de energía del escalonamiento Curtis es másgrande que la del escalonamiento Rateau con menos escalonamientos y con unaconstrucción más económica. Sin embargo, el principio Rateau es más eficiente.
  27. 27. Todas las turbinas de acción diseñadas para gran rendimiento emplean elescalonamiento Rateau seguido de un escalonamiento Curtis, o bien,enteramente, el escalonamiento Rateau.La turbina representada en la figura 6 ofrece las ventajas de una gran caída depresión en las toberas C del primer escalonamiento, y por lo tanto el vaporentra en la carcasa de la turbina a una presión más baja que si el primerescalonamiento hubiese sido del tipo Rateau. Una turbina de vapor del tipo de acción se emplea para accionar un generadora 3600 rpm; el diámetro medio del rodete es de 1220 mm.La cantidad de vapor seco a suministrar es 4903.2 kg por hora a una presiónabsoluta de 14 kg/cm^2. Suponiendo una expansión isoentrópica con unapresión absoluta en el condensador de 50.8 mm de Hg y despreciando losrozamientos, hallar el número teórico de escalonamientos de velocidad ypresión requeridas. Escalonamiento de velocidad:velocidad periférica = (3600 * 3.14159 * 1.22) / 60 = 230.8 m/sflujo de masa = 4903.2 / (60 * 60) =1.36 kg/s671.1 - 482.8 = 188.3 kcal por kg disponibleEnergía cinética = (m * V^2) / (2 * g)188.3 * 426 = V^2 / (2 * 9.81)V = 1250.3 m/sVelocidad ideal del vapor por escalonamiento = 2 * 230.8 = 461.6 m/sPor consiguiente,
  28. 28. Nv = 1250.3 / 461.6 = 2.7Empléense dos escalonamientos de velocidad. Escalonamientos de presión:Velocidad del vapor a absorber en cada escalonamiento = 461.6 m/s.Por lo tanto, para 1 kg de vapor,Energía cinética = (m V^2) / (2 * g) = (1 * (461.6)^2) / (2 * 9.81) = 10850 kgm por escalonamiento 10850 / 426 = 25.44 kcal por escalonamientoPero, como se disponen de 188.3 kcal, resulta Np = 188.3 / 25.44 = 7.4Empléense siete escalonamientos de presión.
  29. 29. TURBINAS DE GAS.El concepto de turbinas de gas es el más antiguo que el de los otros motoresprimarios, pero su perfeccionamiento no ha sido fácil.Un compresor dinámico suministra aire a una cámara de combustión en dondese quema combustible con exceso de aire, a presión constante ciclo simple sólosignifica que los productos de la combustión se mezclan con un exceso de airepara producir gas con energía a una temperatura lo bastante baja para el tipode materiales usados.El gas energizado se expande en una turbina que impulsa el compresor de aire yproduce potencia adicional como salida mecánica.Como último paso, los productos de la combustión se descargan en laatmósfera.Aunque esta configuración parece ser sencilla presenta ciertas dificultades: • Se requiere alta eficiencia en el compresor y en la turbina. • La presión y la temperatua en el ciclo deben ser mayores de ciertos límites mínimos antes de que se pueda producir potencia de salida.Las turbinas de gas se clasifican como para trabajo pesado y derivadas demotores de aviación.El tipo para trabajo pesado se ha perfeccionado para satisfacer lasnecesidades normales de las plantas industriales, sin limitaciones de espacio yde peso.Esta turbina normalmente es del tipo de uno o de dos ejes.Las paletas o álabes del compresor y la turbina son de construcción fuerte, lomismo que las toberas. Esto, junto con las razones de presiones ytemperaturas moderadas en el gas energizado, permite largos intervalos paralas inspecciones y mantenimiento.Los cojinetes del árbol son convencionales, del tipo de manguito o de cuerpooscilante en los radiales, y de caras cónicas o de segmentos múltiples, en los de
  30. 30. empuje; dispuestos para funcionar con un sistema de lubricación a presióncomún para la turbina de gas y la máquina impulsada.Por lo general, la turbina, el sistema de lubricación, los sistemas auxiliares y losinstrumentos sirven para las necesidades normales de las plantas de procesoexpresados en normans como las API 614 y 616.La turbina tipo avión, por contraste, es un motor de chorro para aviones pero,en vez de impulsar un avión, mueve la turbina de potencia.En esta forma, el motor es un generador de gas energizado que se envía a unaturbina convencional de potencia para trabajos pesados.Estas turbinas ofrecen las siguientes ventajas: • La avanzada tecnología de la aviación y los laboratorios de investigación y desarrollo asociados se pueden aplicar para uso industrial. • Los centros de servicios para motores de avión, con sus estrictos requisitos de certificación existencia de piezas de repuestos e instalaciones para pruebas, están disponibles para dar servicio a los generadores de gas. • Las técnicas de producción en serie y de control de calidad aplicadas en la aviación benefician a los usuarios industriales.En la actualidad, se utiliza un número cada vez mayor de estas turbinas de gaspara gasoductos, perforaciones fuera de la costa y servicios públicos, debido aque, para potencias altas, este tipo de turbina es más eficiente que incluso laregenerativa para trabajo pesado.La turbina de gas tipo avión tiene dos o tres árboles, según sea el diseño delmotor de reacción; no se pueden utilizar en ellas el ciclo regenerativo.La turbina de potencia y el generador de gas (motor de reacción) soncomponentes separados, sin conexión mecánica; los sistemas auxiliares tambiénestán separados.
  31. 31. La turbina de potencia, como se mencionó, es de construcción resistente ycomparte los accesorios, instrumentos y sistemas de lubricación con el equipoal cual impulsa. Pero el origen del generador de gas es evidentemente en sudiseño mecánico.Además de su menor peso y tamaño compacto exigidos para los aviones, otrasimportantes variantes para su empleo en plantas de proceso incluyen grannúmero de cojinetes antifricción, sistemas especiales de lubricación conaceites sintéticos no inflamables, accesorios hidráulicos e instrumentoselectrónicos e hidráulicos.Esto, más las holguras tan precisas requeridas en su construcción, hacennecesarios métodos de operación y mantenimiento diferentes de los normalesen una planta. BIBLIOGRAFIA • "Turbinas de Vapor", Greene Richard. • "Turbinas", Webber, Norman Bruton. • "Turbinas Hidráulicas", http:/ /w3.iwcc.com/~brawner/grupos3- en.html; http:/ /perso.wanadoo.fr/euvrie/html/body_turbines.html; http:/ /axp1.iie.org.mx /IIE /lineas/linea5.htm. • " Turbomáquinas térmicas", Claudio Mataix, año 1973, Editorial Dossat S.A.

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