Tipos de Turbinas Hidráulicas

Tipos de Turbinas

• Pelton: Para altas presiones y bajos caudales (Baja Velocidad Específica).
• Francis: De Flujo Radial a Axial.
• Hélice: Prolongación Francis donde el Flujo Termina totalmente AXIAL.
• Kaplan: Igual a la de Hélice pero con Álabes GIRATORIOS para adaptarse mejor a la carga.
• Bulbo: Diseñada para centrales Mareomotrices pudiendo aprovechar saltos de un solo metro pero con caudal elevado.

Nota: Salvo la turbina de Hélice, todas tienen buenos rendimientos.

Aspectos Constructivos Turbina Pelton

• Rodete: Es una rueda con cucharas, o álabes, donde incide el chorro procedente del inyector.
• Inyector: Es una tobera diseñada para reducir el caudal hasta el valor deseado y transformar la energía de presión en energía cinética antes de incidir el flujo sobre los álabes del rodete. Cada INYECTOR es alimentado desde una turbina independiente.
• Aguja: Interior del inyector mandada por servomotor; Regula el caudal mediante el desplazamiento de la aguja.
• Deflector: Permite interceptar de forma parcial o total el chorro mientras la aguja se posiciona.

Aspectos Constructivos Turbina Francis

Es una turbina de reacción, y como tal, es de admisión total, ya que el flujo entra por toda la periferia del rodete.

Componentes

• Cámara Espiral: Se encarga de uniformizar la velocidad de entrada por la periferia del distribuidor, construyéndose circular y metálica para alturas importantes y casi rectangular de hormigón para alturas pequeñas.
• Distribuidor: Está formado por las aletas de guía pivoteadas entre las que se acelera el fluido. Estas aletas pueden girar sobre sus pivotes para ajustar a la carga el caudal y el ángulo de entrada.
• Rodete: Se construyen como TOBOGANES, en los que el flujo pasa de radial a axial. Cada rodete depende de la velocidad específica de la turbomáquina.
• Orificio Compensador: Es una válvula de descarga colocada en la cámara espiral que sirve de protección contra el golpe de ariete que se produciría ante una reducción de carga.

Otras Turbinas

Turbinas Rápidas: Francis Doble (Francis hasta Ns500), Hélice (Ns hasta 900, Flujo Axial), Kaplan (=Alabes Rodete Orientable) y Bulbo (Saltos de poca altura y gran caudal, con Ns hasta 1150).

Flujo Compresible: Toberas y Difusores

Efecto Contrapresión Funcionamiento Tobera Convergente

Si la contrapresión (pb) es igual a la presión de salida (ps) o a la presión de remanso (p0), no hay flujo. Si la contrapresión decrece, aparece flujo a través de la tobera. Descensos en la contrapresión dan lugar a crecimiento de caudal másico y depresión. En cada instante la velocidad de la tobera es subsónica y la presión de salida igual a la contrapresión.

El número de Mach crece cuando pb decrece y se puede alcanzar un valor unitario en la salida. La presión correspondiente será la presión crítica. El número de Mach no puede crecer por encima de la unidad en una tobera convergente, por lo que, si la contrapresión desciende por debajo de las condiciones críticas, no afecta al flujo en la tobera, y se dice que está estrangulada, con flujo másico máximo.

Efecto Contrapresión Funcionamiento Tobera Convergente-Divergente

Si la contrapresión es igual a p0, no hay flujo másico. Cuando la contrapresión es menor que p0, aparece cierto flujo másico que será subsónico en toda la tobera. Si la contrapresión se reduce más, el número de Mach crece hasta alcanzar la unidad en la GARGANTA. La mayor velocidad aparecería en la garganta y la zona divergente actúa como un difusor subsónico.

La tobera ahora está estrangulada, alcanzándose un flujo másico máximo para unas condiciones de remanso dadas. Mayor contrapresión NO incrementará más el flujo másico. El flujo se transforma en SUPERSÓNICO en la zona DIVERGENTE, sufriendo en cierta localización un cambio brusco.

Después de la onda de choque, hay un incremento de presión rápido e irreversible, acompañado de un descenso rápido de flujo supersónico a subsónico. El conducto DIVERGENTE corriente abajo de la onda de choque actúa como un difusor subsónico.

Cuando en la garganta M = 1, el flujo máximo queda fijado para el valor máximo de las condiciones de remanso dadas, siendo el flujo másico el mismo desde D hasta J.

Ondas de Choques Normales (Examen)

En un flujo UNIDIMENSIONAL, se produce una ONDA DE CHOQUE DE COMPRESIÓN NORMAL. Se considera que el flujo es isoentrópico en todo el conducto excepto en la superficie de la onda de choque. El espesor de la onda de choque es muy pequeño.

La Línea de Fanno (Examen)

Es el lugar geométrico que recoge todas las posibles condiciones (Densidad, velocidad y presión) de la sección 2 en una ONDA DE PRESIÓN.

La Línea de Rayleigh (Examen)

Dado un flujo no adiabático sin fricción en régimen permanente, se cumplen los balances de continuidad y de cantidad de movimiento. Si consideramos fijo (Densidad, velocidad(c1) y presión) se puede construir el Lugar Geométrico de todas las posibles condiciones de la sección 2. Esta es la línea de Rayleigh.

EN SU INTERSECCIÓN SE OBTIENE UN FLUJO REAL.

Escalonamientos en Turbomáquinas Térmicas

Aplicación de las ecuaciones de energía a turbinas y turbocompresores

Clasificación:

• Turbinas: Axiales y Centripetas.
• Turbocompresores: Axiales y Centrífugos.

Turbinas Axiales: 3 Tipos:

• A) Turbinas de acción con presión constante en el rotor.
• B) Turbina de acción con entalpía constante en el rotor.
• C) Turbina de Reacción

Turbocompresores (Examen)

• Son turbomáquinas térmicas generadoras en las que por absorción de energía mecánica del exterior se aumenta la energía en el fluido que atraviesa la máquina.
• Los turbocompresores son adecuados para elevados caudales y relaciones de compresión bajas o medias, los alternativos, por el contrario, se adaptan mejor a caudales reducidos y relaciones de compresión medias a altas.
• Características: Presentan características típicas de las turbomáquinas, es decir, reducido peso y volumen, seguridad de servicio, largo periodo entre revisiones, perfecto equilibrado; Por estas razones VAN DESPLAZANDO a los compresores de DESPLAZAMIENTO POSITIVO a aplicaciones muy específicas.

Tipos de Turbocompresores

• Centrífugo: Si la velocidad del Álabe de entrada y salida son diferentes.
• Axial: Si son iguales.

Ventajas Turbocompresores Centrífugos vs Axiales (Examen)

Centrífugos: Fácil diseño, Relación de compresión más elevada por cada escalonamiento y son más estables en el bombeo o entrada en pérdida.

Ventajas Turbocompresores Axiales vs Centrífugos (Examen)

Axiales: Mejor Rendimiento y Menor Sección Frontal. La máxima Relación de Compresión de un escalonamiento axial se sitúa en 1,5.

Fenómeno de bombeo y curva límite de bombeo (Examen)

Tanto en el compresor RADIAL como en el AXIAL, el caudal (Q) solo puede disminuir cuando se aumenta la relación de compresión, llegando a un valor límite distinto para cada número de revoluciones. El Lugar Geométrico de los puntos de funcionamiento límites es la curva límite de bombeo.

Al disminuir el Q por debajo de dicho límite, la difusión inherente al proceso de compresión es excesiva y la corriente se desprende de las paredes del compresor, originándose un retroceso de la misma que es acompañado de vibraciones y ruido. Se dice entonces que el compresor BOMBEA.

El turbocompresor Axial es más propenso al bombeo que el RADIAL, lo que le confiere ventaja. Por esta razón, en las turbinas de gas usadas como motor de autobuses y camiones, donde se requiere estabilidad, se prefiere el compresor radial.