Turbinas Hidrulicas

Tabla de contenido2Naturaleza de las Turbinas33Definicin34Clasificacin de las turbinas segn la fuente de alimentacin44.1Turbinas hidrulicas44.2Turbinas Trmicas54.3Turbinas Elicas74.4Turbina Submarina75Funcionamiento y caractersticas de diferentes tipos de labes de Turbinas85.1Centrpetas85.2Axiales96Partes de una turbina segn la fuente de alimentacin106.1Turbina hidroelctrica106.2Turbina elica116.3Turbina de vapor127Turbinas Hidrulicas138Definicin138.1Clasificacin de las turbo mquinas hidrulicas de acuerdo a su funcin148.2Clasificacin de las turbinas de acuerdo al grado de reaccin148.3Clasificacin de las turbinas de acuerdo al diseo del rodete15

Resumen

Objetivos

Naturaleza de las TurbinasDefinicin Turbinaes el nombre genrico que se da a la mayora de lasturbo mquinasmotoras. stas son mquinas de fluido, a travs de las cuales pasa un fluido en forma continua y ste le entrega su energa a travs de un rodete con paletas olabes.La turbina es un motor rotativo que convierte enenerga mecnicala energa de una corriente de agua, vapor de agua o gas. El elemento bsico de la turbina es la rueda o rotor, que cuenta con palas, hlices, 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 energa mecnica se transfiere a travs de un eje para proporcionar el movimiento de unamquina, uncompresor, ungenerador elctricoo una hlice.Las turbinas constan de una o dos ruedas con paletas, denominadas rotor y esttor, siendo la primera la que, impulsada por el fluido, arrastra el eje en el que se obtiene el movimiento de rotacin.Hasta el momento, la turbina es uno de los motores ms eficientes que existen (alrededor del 50%) con respecto a losmotores de combustin internay hasta algunoselctricos. Ya en los aos 20, unos inventores, entre ellos uno de apellido Thyssen, patentaron una turbina de combustin interna a la que atribuyeron un rendimiento termodinmico del 31%.El trminoturbinasuele aplicarse tambin, por ser el componente principal, al conjunto de varias turbinas conectadas a ungenerador para la obtencin deenerga elctrica.

Ilustracin 1. TurbinaClasificacin de las turbinas segn la fuente de alimentacinTurbinas hidrulicasSon aqullas cuyo fluido de trabajo no sufre un cambio dedensidadconsiderable a travs de su paso por el rodete o por el esttor; stas son generalmente las turbinas de agua, que son las ms comunes, pero igual se pueden modelar como turbinas hidrulicas a los molinos de viento o aerogeneradores.Dentro de este gnero suele hablarse de:1. Turbinas de accin: Son aquellas en que el fluido no sufre ningn cambio depresina travs de su paso por el rodete. La presin que el fluido tiene a la entrada en la turbina se reduce hasta lapresin atmosfricaen la corona directriz, mantenindose constante en todo el rodete. Su principal caracterstica es que carecen de tubera de aspiracin. La principal turbina de accin es laTurbina Pelton, cuyo flujo es tangencial. Se caracterizan por tener un nmero especfico de revoluciones bajo (nsFlujo diagonal; Hlice->Flujo axial) y turbinas con labes orientables (Deriaz->Flujo diagonal; Kaplan->Flujo axial). El empleo de labes orientables permite obtener rendimientos hidrulicos mayores.

Ilustracin 2. Rotor de una turbina Pelton, sta es una turbina hidrulica de accin de admisin parcial.El nmero especfico de revoluciones es un nmero comn para todas las turbinas/bombas geomtricamente semejantes (de menor a mayor es: pelton-francis-kaplan). Cuanto mayor es el nmero especfico de revoluciones, tanto mayor es el riesgo decavitacinde la turbina, es decir, unaTurbina Kaplantiene ms probabilidad de que se d en ella el fenmeno de la cavitacin que en unaTurbina Franciso una Pelton.Turbinas TrmicasSon aqullas cuyo fluido de trabajo sufre un cambio de densidad considerable a travs de su paso por la mquina.Estas se suelen clasificar en dos subconjuntos distintos debido a sus diferencias fundamentales de diseo: Turbinas a vapor: su fluido de trabajo puede sufrir un cambio de fase durante su paso por el rodete; este es el caso de las turbinas a mercurio, que fueron populares en algn momento, y el de las turbinas a vapor de agua, que son las ms comunes. Turbinas a gas: En este tipo de turbinas no se espera un cambio de fase del fluido durante su paso por el rodete.

Tambin al hablar de turbinas trmicas, suele hablarse de los siguientes subgrupos: Turbinas a accin: en este tipo de turbinas el saltoentlpicoocurre slo en el esttor, dndose la transferencia de energa slo por accin del cambio de velocidad del fluido. Turbinas a reaccin: el salto entlpico se realiza tanto en el rodete como en el esttor, o posiblemente, slo en rotor.Igual de comn es clasificar las turbinas por la presin existente en ellas en relacin a otras turbinas dispuestas en el mismo grupo: Turbinas de alta presin: son las ms pequeas de entre todas las etapas y son las primeras por donde entra el fluido de trabajo a la turbina. Turbinas de media presin. Turbinas de baja presin: Son las ltimas de entre todas las etapas, son las ms largas y ya no pueden ser ms modeladas por la descripcineulerianade las turbomquinas etc.

Ilustracin 3. Funcionamiento de las turbinas de vapor

Turbinas ElicasUna turbina elica es un mecanismo que transforma la energa delvientoen otra forma de energa til comomecnicaoelctrica.La energa cintica del viento es transformada en energa mecnica por medio de la rotacin de un eje. Esta energa mecnica puede ser aprovechada para moler, como ocurra en los antiguos molinos de viento, o para bombear agua, como en el caso del molino multipala. La energa mecnica puede ser transformada en elctrica mediante ungenerador elctrico(unalternadoro undinamo). La energa elctrica generada se puede almacenar enbateraso utilizarse directamente.

Ilustracin 4. Energa renovable a partir de una fuente elicaTurbina SubmarinaUna Turbina submarina es un dispositivo mecnico que convierte la energa de lascorrientes submarinasen energa elctrica. Consiste en aprovechar laenerga cinticade las corrientes submarinas, fijando al fondo submarino turbinas montadas sobre torres prefabricadas para que puedan rotar en busca de las corrientes submarinas. Ya que la velocidad de estas corrientes vara a lo largo de un ao, se han de ubicar en los lugares ms propicios en donde la velocidad de las corrientes varan entre 3 km/h y 10 km/h para implantar centrales turbnicas preferentemente en profundidades lo ms someras posibles y que no daen ningn ecosistema submarino. Las turbinas tendran una malla de proteccin que impedira la absorcin de animales acuticos.Ilustracin 5. Turbinas submarinas

Funcionamiento y caractersticas de diferentes tipos de labes de TurbinasEn un turborreactor, el objeto de las turbinas es transformar parte de la energa global del fluido, suma de las energas de presin, cintica e interna debida a la temperatura, en energa mecnica. Esta energa mecnica es la que ha de mover al compresor y a los accesorios. El resto de la energa cintica producir el empuje en el motor al expulsar los gases a alta velocidad a travs de la tobera. Las turbinas, de acuerdo con la direccin de la corriente fluida, pueden ser: Centrpetas Centrpetas, llamadas tambin radiales, trabajan al revs que el compresor centrfugo, pues en estas el flujo de gas entra desde la periferia hacia el centro de la turbina.

Ilustracin 6. Turbina centrpeta de alabes curvos y rectosLa turbina centrpeta est constituida por un estator, que acta a modo de tobera, es decir cambiando su presin por energa cintica, y un rotor que la transformar en energa mecnica.

Ilustracin 7 Flujo de gas de una turbina centrpetaPor la forma de trabajar de la corriente fluida y la disposicin de los elementos del rotor de reaccin, las turbinas centrpetas no son adecuadas para los motores de reaccin para producir reaccin en el chorro de gases, y por ello, su utilizacin queda reservada a instalaciones de equipos de tierra o de abordo, ajenas a la propulsin del avin.Axiales Axiales, en estas, la direccin de la corriente es paralela al eje, y el estator est formado por una corona de labes fijos al crter, con un ngulo tal que canalizan el fluido hacia el rotor en la direccin ms efectiva para la transformacin de la energa cintica en mecnica. El rotor de una turbina axial consiste de una o varias ruedas de labes anclados a un disco que gira a alta velocidad por la accin del fluido transmitiendo energa al eje del compresor, del que se obtiene adems la energa para el movimiento de accesorios. Las turbinas en todos los motores de reaccin modernos, sin tener en cuenta el tipo de compresor utilizado, son de diseo de flujo axial. Las turbinas consisten en una o ms etapas o escalones situados inmediatamente detrs de la seccin de cmara de combustin del motor. Un escaln de turbina est formado por dos componentes fundamentales: el esttor y el rotor, situados en el motor en el orden enunciado de la admisin al escape; es decir, en sentido inverso al de un escaln de compresor. El salto de presin por escaln es aproximadamente del mismo orden de magnitud, tanto en las centrpetas como en las axiales, si bien estas son ms apropiadas para grandes gastos. El esttor de una turbina, ya sea centrpeta o axial acta a modo de tobera. En el caso de las turbinas centrpetas, la configuracin del esttor y del rotor es similar al de un compresor centrfugo, en donde el fluido pasa en sentido inverso. En el caso de una turbina axial, como se ha dicho, el esttor est formado por una cascada de labes fijos al crter, con un ngulo tal que canalizan el fluido hacia el rotor en la direccin ms efectiva para la transformacin de la energa cintica en mecnica. El rotor de una turbina axial consiste en una o varias cascadas de labes unidos a un disco que gira a alta velocidad por la accin del fluido, transmitiendo la energa al compresor mediante el eje comn turbina compresor, del que se extrae adems la energa para el arrastre de accesorios. Por la forma de trabajar de la corriente fluida y la disposicin de los componentes del motor de reaccin, las turbinas centrpetas no son adecuadas para estos motores, y por ello, su utilizacin queda reservada a instalaciones de equipos de tierra o de abordo, ajenas al funcionamiento del motor de reaccin. Las turbinas axiales han adquirido un amplio desarrollo con la tcnica aeronutica de la propulsin por reaccin, debido principalmente al gran caudal de gas que pueden admitir.Partes de una turbina segn la fuente de alimentacin Turbina hidroelctrica

Turbina elica

Turbina de vapor

Turbinas HidrulicasDefinicin Una mquina hidrulica es un dispositivo capaz de convertir energa hidrulica en energa mecnica; pueden ser motrices (turbinas), o generatrices (bombas), modificando la energa total de la vena fluida que las atraviesa. En el estudio de las turbomquinas hidrulicas no se tienen en cuenta efectos de tipo trmico, aunque a veces habr necesidad de recurrir a determinados conceptos termodinmicos; todos los fenmenos que se estudian sern en rgimen permanente, caracterizados por una velocidad de rotacin de la mquina y un caudal, constantes. En una mquina hidrulica, el agua intercambia energa con un dispositivo mecnico de revolucin que gira alrededor de su eje de simetra; ste mecanismo lleva una o varias ruedas, (rodetes o rotores), provistas de labes, de forma que entre ellos existen unos espacios libres o canales, por los que circula el agua. Los mtodos utilizados para su estudio son, el analtico, el experimental y el anlisis dimensional. El mtodo analtico se fundamenta en el estudio del movimiento del fluido a travs de los labes, segn los principios de la Mecnica de Fluidos. El mtodo experimental, se fundamenta en la formulacin emprica de la Hidrulica, y la experimentacin. El anlisis dimensional ofrece grupos de relaciones entre las variables que intervienen en el proceso, confirmando los coeficientes de funcionamiento de las turbomquinas, al igual que los diversos nmeros adimensionales que proporcionan informacin sobre la influencia de las propiedades del fluido en movimiento a travs de los rganos que las componen.

Clasificacin de las turbo mquinas hidrulicas de acuerdo a su funcina) Turbomquinas motrices, que recogen la energa cedida por el fluido que las atraviesa, y la transforman en mecnica, pudiendo ser de dos tipos: Dinmicas o cinticas, Turbinas y ruedas hidrulicas Estticas o de presin, Celulares (paletas), de engranajes, helicoidales, etc.b) Turbomquinas generatrices, que aumentan la energa del fluido que las atraviesa bajo forma potencial, (aumento de presin), o cintica; la energa mecnica que consumen es suministrada por un motor, pudiendo ser: Bombas de labes, entre las que se encuentran las bombas centrfugas y axiales Hlices marinas, cuyo principio es diferente a las anteriores; proporcionan un empuje sobre la carena de un buque.c) Turbomquinas reversibles, tanto generatrices como motrices, que ejecutan una serie de funciones que quedan aseguradas, mediante un rotor especfico, siendo las ms importantes: Grupos turbina-bomba, utilizados en centrales elctricas de acumulacin por bombeo Grupos Bulbo, utilizados en la explotacin de pequeos saltos y centrales maremotrices.d) Grupos de transmisin o acoplamiento, que son una combinacin de mquinas motrices y generatrices, es decir, un acoplamiento (bomba-turbina), alimentadas en circuito cerrado por un fluido, en general aceite; a este grupo pertenecen los cambiadores de par.Clasificacin de las turbinas de acuerdo al grado de reaccin Turbinas de accin:Son aquellas en las que elfluido de trabajono sufre un cambio de presin importante en su paso a travs de rodete. Turbinas de reaccin:Son aquellas en las que elfluido de trabajosi sufre un cambio de presin importante en su paso a travs de rodete.Para clasificar a una turbina dentro de esta categora se requiere calcular elgrado de reaccinde la misma. Las turbinas de accin aprovechan nicamente la velocidad del flujo de agua, mientras que las de reaccin aprovechan adems la prdida de presin que se produce en su interior.Clasificacin de las turbinas de acuerdo al diseo del rodeteEsta clasificacin es la ms determinista, ya que entre las distintas de cada gnero las diferencias slo pueden ser de tamao, ngulo de los labes o cangilones, o de otras partes de la turbomquina distinta al rodete. Los tipos ms importantes son:1. Turbina Kaplan:son turbinas axiales, que tienen la particularidad de poder variar el ngulo de sus palas durante su funcionamiento. Estn diseadas para trabajar con saltos de agua pequeos y con grandes caudales.(Turbina de reaccin)2. Turbina Hlice:son exactamente iguales a las turbinas kaplan, pero a diferencia de estas, no son capaces de variar el ngulo de sus palas.3. Turbina Pelton: Son turbinas de flujotransversal, y de admisinparcial. Directamente de la evolucin de los antiguosmolinos de agua, y en vez de contar con labes o palas se dice que tienecucharas. Estn diseadas para trabajar con saltos de agua muy grandes, pero con caudales pequeos.(Turbina de accin)4. Turbina Francis: Son turbinas de flujo mixto y de reaccin. Existen algunos diseos complejos que son capaces de variar el ngulo de sus labes durante su funcionamiento. Estn diseadas para trabajar con saltos de agua medios y caudal medios.5. Turbina Ossberger / Banki / Michell: La turbina OSSBERGER es una turbina de libre desviacin, de admisin radial y parcial. Debido a su nmero especfico de revoluciones cuenta entre las turbinas de rgimen lento. El distribuidor imprime al chorro de agua una seccin rectangular, y ste circula por la corona de paletas del rodete en forma de cilindro, primero desde fuera hacia dentro y, a continuacin, despus de haber pasado por el interior del rodete, desde dentro hacia fuera.Es una turbina hidrulica de impulso diseada para saltos de desnivel medio. El rodete de una Turgo se parece a un rodete Pelton partido por la mitad. Para la misma potencia, el rodete Turgo tiene la mitad del dimetro que el de un rodete Pelton y dobla la velocidad especfica.

Ejemplos de aplicacin

BibliografaAcerca de nosotros: Wikipedia. 27 de Mayo de 2013. https://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_hidr%C3%A1ulica (ltimo acceso: 10 de Julio de 2015).Fernandez Diez, Pedro. Turbinas Hidrulicas. Documento de Investigacin, Cantabria, 2013.