Turbinas

 

INTRODUCCION
La turbina hidráulica es una turbomáquina motora, y por tanto esencialmente es una 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 eficaz de 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, la flexibilidad operativa, el bajo consumo y deterioro (siempre que no haya sequía), el complejo hidroeléctrico constituye una fuente inagotable de energía en que las turbinas cumplen el papel principal.

 

TURBINAS
La función de una turbina y de toda máquina hidráulica es efectuar un cambio de energía entre un sistema mecánico y un sistema fluido.
Los únicos tipos de máquina hidráulica con los cuales se relaciona directamente son las turbinas.
El uso de artificios mecánicos elementales para transformar energía mecánica en otra energía optativa se puede encontrar la turbina hidráulica sencilla que es una evolución natural de la rueda hidráulica, aunque el parecido físico es muy remoto.
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-. Distribuidor
4-. Rodete.
5-. Tubo de aspiración

 

CLASIFICACION DE LAS TURBINAS
1-. 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 la altura de presión absorbida por el rodete y la altura total absorbida por el rodete
Estos apelativos proceden de que en las primitivas y rudimentarias máquinas, la potencia se obtenía, bien del impulso comunicado por el agua al dar contra unas paletas giratorias, o bien de la reacción producida al salir de ellas.
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 del agua se convierte en energía cinética antes de que esta agua incida sobre una limitada porción periférica de un elemento rotativo, sin que haya un cambio posterior de presión.
Las actuales máquinas de impulsión son casi todas del tipo Pelton, siendo las convenientes para grandes alturas.

• Turbina de Reacción:

La conversión inicial presión- velocidad se realiza sólo parcialmente, de forma que el agua entra en el elemento rotativo por toda la periferia y el flujo pasa por 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 a potencia distinta de la normal durante considerables períodos de tiempo, haciéndose frente a las variaciones de carga, mediante la regulación de la cantidad de agua, pero manteniendo constante la velocidad de sincronismo.

 

TURBINAS PELTON.
Este tipo de turbina fue creada y patentada en 1889 por el norteamericano Lester Allan Pelton.
El principio de funcionamiento es relativamente simple, ya que constituye una evolución lógica de la antigua rueda hidráulica.
Posee las mejores características para grandes alturas, y desde luego es la única máquina capaz de funcionar con alturas superiores a 1.700 m.
Son notables su suavidad de giro y su buen funcionamiento a carga parcial. En la figura se muestra la disposición típica de una turbina Pelton.
La tobera lanza a la atmósfera un chorro de alta velocidad que incide sobre una serie 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 la rueda. Una vez transmitida su energía a la rueda, el agua sale de los álabes a velocidad relativamente baja y es dirigida hacia el canal de desagüe.
Por tanto, la turbina ha de estar colocada a suficiente altura sobre el nivel máximo de crecida para asegurar el derrame libre.

En la turbina Pelton actual, la energía cinética del agua, en forma de chorro libre, 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 la turbina.
Encuentra justa aplicación la turbina Pelton, en aquellos aprovechamientos hidráulicos donde la ponderación de la carga es importante respecto al caudal.
La velocidad especifica es baja, entre 10 y 60 en el sistema metrico y entre 2 y 12 en el sistema ingles aproximadamente, siendo preferibles valores centrales entre estos limites por razones del rendimiento, el cual es del orden del 90% y se conserva bastante bien a carga parcial.
Entre las turbinas Pelton mas grandes instaladas hasta el momento se encuentran las de Mont- Cenis (Alpes franceses) de 272000 HP cada una, bajo 870 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 velocidad del chorro a la salida del inyector en algunas instalaciones llega a 150 m/seg y aún 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.
12-. Freno de la turbina.
13-. Blindaje.
14-. Destructor de energía.

 

A continuación se presenta un diagrama de una Turbina Pelton:

 

CLASIFICACIÓN DE TURBINAS PELTON.

La clasificación más general que puede hacerse de las turbinas Pelton es en tipos de eje horizontal y tipos de ejes vertical:
1-. Turbinas Pelton de Eje Vertical:

 

 

En este tipo de turbinas Pelton el numero de chorros por rueda se reduce generalmente a uno o dos, por resultar complicada la instalación en un plano vertical de las tuberías de alimentación y las agujas de inyección.
Este sistema de montaje encuentra aplicación en aquellos casos donde se tienen aguas sucias que producen deterioros o notable acción abrasiva.
Con el eje horizontal se hace también posible instalar turbinas gemelas para un solo 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 de alimentación en un plano horizontal, lo que permite aumentar el numero de chorros por rueda (4 a 6); con esto se puede incrementar el caudal y tener mayor potencia por unidad.
Se acorta la longitud del eje turbina- generador; se amenguan las excavaciones; se puede disminuir el diámetro de rueda y aumentar la velocidad de 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 más ventajosa que la disposición horizontal.
Su aplicación es conveniente en aquellos casos donde se tienen aguas limpias que no produzcan gran efecto abrasivo sobre los alabes e inyectores, debido a que la inspección y las reparaciones con este montaje se hacen mas difíciles.

 

Por otra parte, las turbinas Pelton se clasifican también en sencillas (un rodete y un chorro) y múltiples.
Las turbinas Pelton se multiplican por el número de chorros, llamándose Pelton doble, triple, etc.
Las turbinas Pelton séxtuples (1 rodete de eje vertical y 6 chorros) cayeron un tiempo en desuso, por la complicación que entraña su duodécuple regulación (6 inyectores 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 un disco 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 la necesidad de instalar el número requerido de álabes de dimensiones apropiadas y evitar al mismo tiempo las salpicaduras.
Por tanto, dependerá del diámetro del chorro; la relación entre el diámetro de la rueda y el diámetro del chorro, suele oscilar entre 10 y 14.
Generalmente el montaje es horizontal resultando a veces económico el montaje gemelo de dos ruedas Pelton, una a cada lado del alternador.

RUEDA PELTON.
Por otra parte, la fundición por separado de disco y alabes ha sido la forma mas tradicional, ya que no solo se facilita la construcción (fundición, maquinado y pulido de piezas) sino que también hace posible la reposición de cucharas averiadas por la erosión.
Sin embargo, modernamente se advierte una gran tendencia a fundir el disco y alabes en una sola pieza, sobre todo cuando se trata de ruedas de alta velocidad especifica.
Se consigue con este procedimiento mayor rigidez y solidez; uniformidad en la resistencia y montaje rápido. Para la misma potencia, las ruedas resultan más ligeras.
Métodos modernos de fundición y de control de calidad (Magnaflux, Magnaglo, ultrasonidos, etc.) permiten obtener piezas sin grietas ni fisuras en el templado.
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 grafito laminar.
Si las condiciones de trabajo son mas drásticas debe recurrirse al acero, al carbono 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.
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 la velocidad especifica de la turbina. Para alta velocidad especifica el numero de alabes es menor. En efecto, para una rueda de un diámetro determinado por una carga y una velocidad de giro si la velocidad especifica es alta es que el gasto es grande, lo exige alabes mayores, y por tanto caben menos en la misma periferia de la rueda.
El espacio requerido por alabe suele estar entre 1.4 do y 1.6 do , siendo "do" el diámetro 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)do

siendo Dp el diametro de la rueda Pelton medida al punto central de incidencia del chorro.

 

 

ALABES PELTON.

TURBINAS PELTON Y EL NUMERO ESPECIFICO DE REVOLUCIONES.
Todas las turbinas hidráulicas geométricamente semejantes tienen un mismo número específico de revoluciones, "ns", siendo:
ns = n Nu^1/2 Hn^-5/4 con:
n = revolución por minuto
Nu = potencia útil
Hn = salto neto

Las turbinas Pelton cuyo ns es pequeño se llaman lentas y aquellos cuyo ns es grande se llaman rápidas.
En efecto, la ecuación anterior demuestra que de dos turbinas de la misma potencia y el mismo salto neto, la que tenga un ns más pequeño girará más lentamente: dicha turbina es más lenta que la otra.
Sin embargo, la misma ecuación demuestra que el término lento o rápido no se refiere al rpm real de la máquina. En efecto, si dos turbinas Pelton de ns pequeño y grande respectivamente giran a la misma velocidad n y tienen la misma potencia Nu, la turbina llamada lenta (aunque en este caso gira al mismo rpm que la rápida) requerirá un salto mayor(para óptimo rendimiento) que la turbina llamada rápida.
O bien, la misma ecuación demuestra que si estas dos turbinas giran al mismo número de revoluciones y trabajan en el mismo salto neto, la turbina rápida tendrá que desarrollar mayor potencia y por tanto, deberá absorber mayor caudal, porque la altura neta es la misma (para óptimo rendimiento) que la turbina lenta.

TURBINAS FRANCIS.
La primera turbina a reacción que funcionó con éxito fue construida y ensayada en 1849 por el ingeniero norteamericano J.B Francis.
Su concepción aventajó a la de la mayoría de las formas anteriores en que el flujo se dirigía bajo presión en sentido centrípeto, con lo que cualquier tendencia a acelerarse (embalamiento) quedaba parcialmente contrarrestada por la reducción de flujo debida al aumento de la fuerza centrífuga.
La rueda de álabes o rodete tenía más bien la forma del rodete de una bomba centrífuga, siendo el flujo predominante radial, con los mismos radios de entrada y salida para todas las líneas de corriente.
Como surgió la necesidad de conseguir mayores potencias a velocidades más altas, se hizo imperativo adoptar el rodete para flujos más caudalosos sin aumentar el diámetro.
Esto solamente podía realizarse haciendo que el agua siguiera una dirección radial- axial.
El resultado de ello fue el tipo de turbina de flujo mixto que actualmente es el modelo normal. Aunque las modernas turbinas de flujo centrípeto guardan poca semejanza con la máquina Francis original, el principio de funcionamiento es esencialmente el mismo y el nombre se ha conservado. Actualmente se emplean para alturas de 100 a 1500 ft, y como esta gama de alturas es la más frecuente, la máquina Francis tiene una gran superioridad numérica sobre los demás 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 cierto número de álabes de perfil aerodinámico (álabes directores) igualmente espaciados en la periferia.
Estos álabes directores son orientables, de modo que pueden abrir o cerrar completamente el paso del agua hacia el rodete, controlándose el grado de abertura desde el mando de la turbina a través de un mecanismo de enlace. Su misión es guiar el flujo hacia el rodete con el mínimo grado de turbulencia, así como regular el caudal y, por tanto, la potencia suministrada.
Al ser convergentes los álabes directores, la energía cinética a la entrada del rodete es mayor que en la tubería, y la costa de presión correspondiente será menor.
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 ninguna componente tangencial de la velocidad.
El par motor que se obtiene procede de la desviación de la trayectoria del flujo y de la variación de las energías de presión y cinética.
Debido a los problemas (por ejemplo, estanqueidad de las juntas) que plantean las altas presiones y velocidades, existe un límite superior para la altura con la que 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 Francis de 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 instalación hidroeléctrica 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 a 120 ft, siendo 200 ft la altura máxima para máquinas pequeñas.
El despegue y la cavitación resultan inevitables en el interior de las turbinas de hélice que funcionan a velocidades muy altas, siendo el inicio de la cavitación lo que marca el límite máximo de la altura admisible.
Desgraciadamente, la curva potencia- rendimiento de una turbina de hélice con álabes fijos presenta un máximo muy acusado, lo que indica unas características de funcionamiento muy pobres a carga parcial.
El problema fue resuelto en los comienzos de 1920 por Víctor Kaplan, profesor en Checoslovaquia, que creó una turbina en la que el ángulo de los álabes se ajustaba automáticamente según la carga, estando el mecanismo de accionamiento en la ojiva y en el interior del árbol vertical.
Aunque la turbina Kaplan es mucho más costosa, la mejora de los resultados a carga parcial es tal, que la turbina con álabes fijos sólo se instala en emplazamientos donde la altura y la carga son constantes.
La instalación general no difiere grandemente de la que hemos visto para la turbina Francis. Los álabes directores comunican al agua una componente rotacional, a lo que sigue una desviación hacia la dirección del eje. Al acercarse al rodete, el movimiento del fluido se aproxima al de un vórtice espiral libre (vr=constante). La componente rotacional es absorbida por el rodete, con lo que la velocidad de salida es totalmente axial. El tubo de aspiración cumple la misma misión que en la turbina Francis y su forma es similar.
La turbina tipo bulbo o tubular constituye un interesante avance en el aprovechamiento de pequeñas alturas. Consta de un rodete de hélice con álabes fijos, o tipo Kaplan, colocado axialmente dentro de un corto conducto forzado; el generador va acoplado directamente al rodete y eswtá alojado en un bulbo inmerso en el flujo entrante. La entrada y la salida se han de diseñar de forma que sean mínimas las pérdidas de energía. Se calcula que la inversión que exige una instalación completa es un 40% que correspondería a la instalación Kaplan equivalente.

 

 

 

TURBINAS DE VAPOR DE ACCIÓN
Las turbinas son máquinas de flujo permanente, en las cuales el vapor entra por las 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 una rueda hidráulica.
Las turbinas que utilizan el impulso del chorro para mover los álabes se denominan turbinas de acción (fig. 1).
En ellas las toberas son fijas y van montadas sobre el bastidor. Pero también es posible construir la turbina de manera que los espacios comprendidos entre los álabes tengan la forma de toberas.

Fig. 1

Para el mejor conocimiento de las turbinas de vapor de acción se desarrollarán brevemente los siguientes temas:
• Ejemplos constructivos
• Presiones Típicas
• Escalonamientos de velocidad y de presión

 

EJEMPLOS CONSTRUCTIVOS
Ejemplo teórico:
La figura 2 representa una turbina de acción en la cual toda la caída de presión a tenido lugar en la tobera, y una parte de la energía cinética resultante del vapor en movimiento es absorbida por los álabes de rotor.
Las toberas de las turbinas de acción no pueden cubrir la totalidad de la periferia del rotor, por cuya razón en un momento dado solamente parte de los álabes de la turbina reciben la acción de los chorros de vapor.
Las primeras turbinas de este tipo eran las De Laval "clase A", cuyos elementos esenciales aparecen en la figura 1.
El vapor se expansionaba desde la presión inicial a la de escape en el interior de las toberas, y la energía cinética del chorro era absorbida por una sola hilera de álabes montados en la periferia del rotor.
Dichos álabes desviaban el chorro de vapor, tal como se representa, y absorbían la mayor parte de la energía cinética, de forma que el vapor salía del rodete con una velocidad muy reducida.
Algunas turbinas de este tipo están en servicio, pero en la actualidad ya no se construyen debido a que giran a velocidades comprendidas entre 10000 y 30000 rpm.
En una turbina de acción ideal el chorro de vapor que sale por una tobera debería llevarse al reposo en los álabes, y de esta suerte, cedería toda su energía cinética a los mismos.
En las turbinas de acción reales esto no es posible por razones de tipo constructivo.
Por este motivo siempre se produce una perdida de energía en la turbina a causa de la velocidad residual o final del vapor al abandonar el rodete.

 

PRESIONES TÍPICAS
Presión típica en las toberas:
Si para una tobera determinada, en la cual las áreas de las secciones rectas de entrada, garganta y salida son fijas, se dibuja una curva cuyas ordenadas sean en flujo de masa (kg/s) y cuyas abscisas se dan la relación entre las presiones de 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 flujo aumenta a lo largo de b hasta c.
Si la presión de salida continúa decreciendo, el flujo no aumenta, como podía esperarse, 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 el vapor húmedo.
La abscisa de la presión crítica para el vapor recalentado es igual a 0.54. Para el aire y otros gases en los cuales k = 1.4, la presión crítica es 0.53. Estos valores son racionales y pueden calcularse para las bases de los cuales se conozca 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 más grandes que aquellas, una posterior disminución de la presión de salida no produce efecto alguno en la presión existente delante de la garganta.
Como consecuencia el flujo es máximo y constante para todos los valores de la presión de salida inferiores a la crítica.
Por encima de la presión crítica el flujo es función de la presión de escape.
Fig. 3

 

ESCALONAMIENTOS DE VELOCIDAD Y PRESIÓN

Escalonamientos de las turbinas de vapor:
Los escalonamientos de las turbinas tienen por objeto disminuir la velocidad del rodete conservando una velocidad de los álabes próxima al valor óptimo con relación a la velocidad del chorro, es decir, esencialmente una mitad de la velocidad del chorro en los rodetes de las turbinas de acción con un sólo escalonamiento, y la equivalente a la velocidad del chorro en los rodetes de reacción.
La velocidad de un chorro de vapor puede ser muy elevada, dependiendo de la presión y temperatura iniciales del vapor, así como también de la contrapresión.
Si toda la energía se transformase en trabajo útil con un sólo escalonamiento, sería necesario que la turbina girase a una velocidad comprendida entre 20.000 y 40.000 rpm. Tal velocidad exigiría un reductir mecánico de dimensiones desproporcionadas.
    Los dos tipos de escalonamiento utilizados corrientemente son:  (1) de presión y (2) de velocidad.
En el primer caso la caída de presión se produce en grupos de toberas de forma que la velocidad resultante del vapor es suficientemente baja para ser absorbida por una velocidad razonable del rodete.
Este proceso se repite tantas veces como sea necesario para expansionar el vapor completamente y se denomina comúnmente escalonamiento Rateau.
    El escalonamiento de velocidad consiste en producir una gran caída de presión en un grupo de toberas y utilizar la velocidad resultante del vapor en tantos 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 de presión (Rateau), y la figura 4b, otra con dos escalonamientos de velocidad(Curtis).
Finalmente la figura 5 representa una turbina de acción con un escalonamiento de presión y otro de velocidad.
Cada figura va acompañada del gráfico que representa la relación que existe entre la presión y velocidad de cada turbina.
 

Fig. 4
 

 

Fig. 5

 

En la figura 6 aparece una turbina con escalonamiento de presión y de velocidad.
La velocidad desarrolladas en las toberas C del primer escalonamiento se utiliza en dos hileras de álabes D y F.
Los álabes D absorben parte de la velocidad. A continuación el vapor experimenta una inversión gracias a las paletas fijas E, y es dirigido hacia la segunda hilera de álabes F, los cuales absorben la mayor parte de la velocidad restante.
Finalmente el vapor se expansiona en las toberas de entrada de nueve sucesivos escalonamientos de presión, cada uno de los cuales tiene una hilera de álabes, es decir un escalonamiento de velocidad por escalonamiento de presión.
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 de vapor de casi el doble de la velocidad del álabe.
 

Fig. 6

La capacidad de transformación de energía del escalonamiento Curtis es más grande que la del escalonamiento Rateau con menos escalonamientos y con una construcción más económica. Sin embargo, el principio Rateau es más eficiente.
Todas las turbinas de acción diseñadas para gran rendimiento emplean el escalonamiento 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 de presión en las toberas C del primer escalonamiento, y por lo tanto el vapor entra en la carcasa de la turbina a una presión más baja que si el primer escalonamiento hubiese sido del tipo Rateau.
  Una turbina de vapor del tipo de acción se emplea para accionar un generador a 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 presión absoluta de 14 kg/cm^2. Suponiendo una expansión isoentrópica con una presión absoluta en el condensador de 50.8 mm de Hg y despreciando los rozamientos, hallar el número teórico de escalonamientos de velocidad y presión requeridas.
 
    Escalonamiento de velocidad:
velocidad periférica = (3600 * 3.14159 * 1.22) / 60 = 230.8 m/s
flujo de masa = 4903.2 / (60 * 60) =1.36 kg/s
671.1 - 482.8 = 188.3 kcal por kg disponible
Energía cinética = (m * V^2) / (2 * g)  
                  
188.3 * 426 = V^2 / (2 * 9.81)
V = 1250.3 m/s
 
Velocidad ideal del vapor por escalonamiento = 2 * 230.8 = 461.6 m/s
 Por consiguiente,
 Nv = 1250.3 / 461.6 = 2.7
Empléense 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 escalonamiento
Pero, como se disponen de 188.3 kcal, resulta
                                    Np = 188.3 / 25.44 = 7.4
Empléense siete escalonamientos de presión.
 
 
 
TURBINAS DE GAS.
El concepto de turbinas de gas es el más antiguo que el de los otros motores primarios, pero su perfeccionamiento no ha sido fácil.
Un compresor dinámico suministra aire a una cámara de combustión en donde se quema combustible con exceso de aire, a presión constante ciclo simple sólo significa que los productos de la combustión se mezclan con un exceso de aire para producir gas con energía a una temperatura lo bastante baja para el tipo de materiales usados.
El gas energizado se expande en una turbina que impulsa el compresor de aire y produce potencia adicional como salida mecánica.
Como último paso, los productos de la combustión se descargan en la atmósfera.
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 de motores de aviación.
El tipo para trabajo pesado se ha perfeccionado para satisfacer las necesidades normales de las plantas industriales, sin limitaciones de espacio y de 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, lo mismo que las toberas. Esto, junto con las razones de presiones y temperaturas moderadas en el gas energizado, permite largos intervalos para las inspecciones y mantenimiento.
Los cojinetes del árbol son convencionales, del tipo de manguito o de cuerpo oscilante en los radiales, y de caras cónicas o de segmentos múltiples, en los de empuje; dispuestos para funcionar con un sistema de lubricación a presión común para la turbina de gas y la máquina impulsada.
Por lo general, la turbina, el sistema de lubricación, los sistemas auxiliares y los instrumentos sirven para las necesidades normales de las plantas de proceso expresados 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 una turbina 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 gas para gasoductos, perforaciones fuera de la costa y servicios públicos, debido a que, para potencias altas, este tipo de turbina es más eficiente que incluso la regenerativa para trabajo pesado.
La turbina de gas tipo avión tiene dos o tres árboles, según sea el diseño del motor de reacción; no se pueden utilizar en ellas el ciclo regenerativo.
La turbina de potencia y el generador de gas (motor de reacción) son componentes separados, sin conexión mecánica; los sistemas auxiliares también están separados.
La turbina de potencia, como se mencionó, es de construcción resistente y comparte los accesorios, instrumentos y sistemas de lubricación con el equipo al cual impulsa. Pero el origen del generador de gas es evidentemente en su diseño mecánico.
Además de su menor peso y tamaño compacto exigidos para los aviones, otras importantes variantes para su empleo en plantas de proceso incluyen gran número de cojinetes antifricción, sistemas especiales de lubricación con aceites sintéticos no inflamables, accesorios hidráulicos e instrumentos electrónicos e hidráulicos.
Esto, más las holguras tan precisas requeridas en su construcción, hacen necesarios métodos de operación y mantenimiento diferentes de los normales en 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.