Turbomaquinas

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UNIDAD 1 Turbomáquinas, clasificación, tipos. Repaso de balances energéticos. Intercambio de energía: teorema de Euler. Casos elementales: turbina plana y curva. 1. TURBOMÁQUINAS: Clasificación.

Las turbomáquinas se diferencian de otras máquinas térmicas en que son de funcionamiento continuo, no alternativo o periódico como el motor de explosión o la bomba de vapor a pistón. A semejanza deotras máquinas las turbomáquinas son esencialmente transformadoras de energía, y de movimiento rotativo. Sin embargo, se diferencian, por ejemplo, del motor eléctrico, en que la transformación de energía se realiza utilizando un fluído de trabajo. En las turbomáquinas el fluído de trabajo pude ser un líquido (comúnmente agua, aunque para el caso de las bombas de líquido la variedad de fluídos es muygrande) 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). Las turbomáquinas cuyo fluído de trabajo es un líquido se denominan turbomáquinas HIDRAULICAS; no hay una denominación especial para las demás. Este fluído de trabajo se utiliza para convertir la energía según una cascada que puede enunciarsecomo sigue: • • • • • Energía térmica (calor) Energía potencial (presión) Energía cinética (velocidad) Intercambio de cantidad de movimiento Energía mecánica

No todas las turbomáquinas comprenden la cascada completa de energía: algunas sólo incluyen algunos escalones. Por otra parte, la cascada no siempre se recorre en la dirección indicada, pudiendo tener lugar en la dirección opuesta. Lasturbomáquinas que recorren la cascada en la dirección indicada se denominan MOTRICES, y las que la recorren en la dirección opuesta se denominan OPERADORAS. Las turbomáquinas motrices reciben las siguientes denominaciones: • Si trabajan con líquidos, turbinas hidráulicas • Si trabajan con gases, turbinas (de vapor, de gases de combustión, etc) Las turbomáquinas operadoras se denominan: • Si trabajan conlíquidos, bombas hidráulicas • Si trabajan con gases, compresores (altas presiones) o ventiladores o sopladores (bajas presiones) También se diferencian las turbomáquinas según la trayectoria que en general sigue el fluído: si el movimiento es fundamentalmente paralelo al eje de rotación se denominan turbomáquinas AXIALES. Si es principalmente normal al eje de rotación, turbomáquinas RADIALES(centrífugas o centrípetas según la dirección de movimiento), y si se trata de casos intermedios, turbomáquinas MIXTAS. Las turbomáquinas pueden recibir el fluído en toda su periferia (máquinas de admisión plena) o sólo en parte (máquinas de admisión parcial) Las Figuras 1.1 y 1.2 ilustran algunas turbomáquinas de todos los tipos mencionados:

1

Fig 1.1: Turbomáquinas de admisión plena (Wilson)2

Fig 1.2: Turbomáquinas de admisión parcial (Wilson) 2. Repaso de balances energéticos Definimos las energías del fluído por unidad de volumen: • • • Cinética E=½ ρv 2 Potencial ρgz Interna U=ρcv T

El calor intercambiado será Q y el trabajo L. Los valores por unidad de masa se definen con minúsculas (e, u, q, l, i). Definimos también la función ENTALPÍA como

i = u+ p/ ρ
De lasrelaciones de Termodinámica:

c p = cv + R i = cp T

Para un sistema CERRADO, las energías potencial y cinética de entrada y de salida son iguales por definición. Luego, el balance de energía por unidad de masa es q − l = u 2 − u1 , donde

l es el trabajo de expansión por unidad de masa dentro del sistema:
3

1 l = ∫ p d   ρ   1
2

Notar que se requiere conocer la relación entrepresión y densidad dentro del sistema para poder realizar la integral. El trabajo de circulación en un sistema CERRADO se relaciona con el trabajo de expansión como sigue:
2 dp  p 2  1  p p li = − ∫ = −∫ d   + ∫ pd   = l + 1 − 2  ρ  ρ ρ ρ1 ρ2   1   1 1 2

Luego,

l = li +

p2 p1 − ρ2 ρ1

Para un sistema ABIERTO, el trabajo total realizado por o sobre el fluído se compone...
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