1 TURBINAS Laturbinahidrulicaesunaturbomquinamotora,yportantoesencialmenteesunabomba rotodinmicaquetrabaja alainversa.Mecnica de fluidosy Maquinariashidrulicas. Claudio Mataix. Ed. Alfaomega. Pp.460. Turbinaeselnombregenricoquesedaalamayoradelasturbomquinasmotoras.stasson mquinasdefluido,atravsdelascualespasaunfluidoenformacontinuayesteleentregasu energa a travs de un rodete con paletas o labes. Es un motor rotativo que convierte en energa mecnica la 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, cuchillasocuboscolocadosalrededordesucircunferencia,detalformaqueelfluidoen movimientoproduceunafuerzatangencialqueimpulsalaruedaylahacegirar.Estaenerga mecnicasetransfiereatravsdeunejeparaproporcionarelmovimientodeunamquina,un compresor,ungeneradorelctricoounahlice.Lasturbinasconstandeunaodosruedascon paletas, denominadas rotor y estator, 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 los motores de combustin interna y hasta algunos elctricos.El trmino turbina suele aplicarse tambin, por ser el componente principal, al conjunto de varias turbinas conectadas a un generador para la obtencin de energa elctrica. 2 INTRODUCCION Enmuchaspartesdelmundo,dondesonposiblesvelocidadesdeflujoaltasycargas suficientes,seutilizanhidroturbinasparaproducirenergaelctrica.Adiferenciadelas bombas,lasturbinasextraenenergatildelaguaquefluyeatravsdeunatubera.El elementomvildeunaturbinasellamarotor,elcualsecomponedeaspasacangilones montados en una flecha rotatoria. La energa disponible en el lquido se transfiere a la flecha a laflechapormediodelrotor,yelmomentodetorsinresultantetransferidoporlaflecha rotatoria puede propulsar un generador elctrico. Elobjetivodelsiguienteproyectoesmostrarunapequeapartedelmundodelas turbomaquinas, y en este momento principalmente nos enfocaremos en las turbinas. Comoyasemencionoanteriormente,lasturbinassonunaalternativamuyimportanteparala generacin de energa, y hay muchos tipos de turbinas, como las turbinas elicas, submarinas o trmicas,perolasutilizadaseimportantesactualmente,ycasiindispensablesenlaindustria, sonlasturbinashidrulicas,que,porlotanto,sondelasquehaymasinformacin,tipos, ejemplos, etc. Tambinhaydiversasformasparaclasificarlostandiversostiposdeturbinasquehay,unaes porelnmeroespecficoderevoluciones,turbinasapresin,etc.Perolaclasificacinms importanteesporelgradodereaccin,yaqueenestaentralaclasificacinmasgenerale importantepara lasturbinas: turbinas de reaccin,turbinasde accinyturbinas de impulsin, como se mostrara en la siguiente recopilacin. Larecopilacinrealizadaesmuypequea,noahondaentemasmuyespecficos,peroami parecer, trata de resumir a muy grandes rasgos las caractersticas, los elementos constitutivos, los tipos y algunas unidades para medir los comportamientos de las turbinas. Ojala sea motivo de su atencin y de su agrado. MANUEL COLIN SERRANO. 3 ANTECEDENTES Fueduranteenerodelao1996enelIMallorcaJetMeetingcuandoviporprimeravez funcionar "en directo" una turbina. Se trataba de una JPX T240 que utilizaba gas propano como combustible. El avin que equipaba la turbina era un Starjet de Aviation Design. Creanmetanto laturbinacomoelaeromodelonosdejaronconlabocaabiertaamsdeuno.Cuandome enter del precio de la turbina la boca se me cerr de golpe. Pero en ese mismo evento tambin nos visit un tal Sr. KurtSchreckling que equipaba su avin con una turbina casera que no tena nada que envidiar, por su funcionamiento y potencia a las turbinas comerciales que vimos. Por supuesto todos nos interesamos por esta turbina y por la tcnicadesuconstruccin.ElSr.SchreckilingnoparentodoelJetmeetingdedar explicaciones a todos los que se interesaron en construirse su turbina casera. El virus ya nos haba atacado. Una de las personas que con ms fuerza cogi el reto de construirse esta turbina fue Jos Pia ("PepeTurbina")ylaverdadesquesedocumenttodoloquepudoytodoslosquehan construidoenMallorcaunaturbina"casera"hansidoasesoradosenmayoromenormedida porl.Laverdadesqueenaquellosmomentos,enMallorca,todosbamos"aremolque"de JosPiaporsusconocimientostantotericoscomoprcticos.(Estosigueocurriendoenla actualidadaunqueyahemosasimiladoconocimientosynoshemosvueltorespondones). Mientras tanto nos enteramos a travs de Matas Durn, tambin pionero de esta especialidad, que durante aquella poca en Arenys de Munt (Barcelona) Jess Arts estaba experimentando con estas turbinas y quera desarrollar una propia. 4 Jess Arts junto con Kurt Schreckling y la ayuda Thomas Kamps y un grupo de colaboradores desarrollarondurantestapocalaqueyaesmticaturbinaKJ-66.Lasprimerasunidades tenanpocoqueverconlasltimas.Enunprincipiosequisodisearunaturbinade construccin semi casera. Y as fue ya que muchos de sus elementos se podan comprar o bien realizarlos de manera artesanal. Pero una mejora llev a la otra y casi todos los elementos de la KJ-66originalsufrieronvariaciones.Unadelasmejorasdestacablesfueladeincorporarun controladorelectrnicoalaturbina.DichocontroladorlodesarrollGasparEspiellconel nombre de FADEC (Full Authority Digital Engine Control, realmente fue un paso cualitativo. Jess y Kurt publicaron todas sus investigaciones en un grupo de trabajo para constructores de turbinaamateur(GTBA)yapartirdeahempezaronaproliferarvariantesdelaturbinaKJ-66, algunascomerciales,quemencionaremosmsadelante.HaceyaalgunosaosqueJessno trabajaencolaboracinconKurtperosilohacejuntoaFelipeNietodeMxicoyChris Mounkley de Australia en el desarrollo y fabricacin de sus nuevas turbinas. HaciaelsigloIId.C.seempezautilizarenlasregionesmontaosaslaruedahidrulicade empujesuperior.Enestecaso,elaguasevertasobrelaspalasdesdearriba,yseobtena energa adicional de la inercia del agua en su cada. En la edad media la potencia mxima de la rueda, fabricada con madera, aument de 3 a 50 CV.Latransicindelaruedahidrulicaalaturbinaessobretodosemntica.Elprimerintentode formularlabasetericaparaeldiseoderuedashidrulicasenelsigloXVIIIcorrespondeal ingeniero civil britnico John Smeaton, que demostr que la rueda de empuje superior era ms eficaz.Sinembargo,elingenieromilitarfrancsJeanVictorPonceletdiseunaruedade empujeinferiorcuyaspalascurvadasaumentabanelrendimientocasiun70%.Elusodeesta mquinaseextendirpidamente.Otroingenieromilitarfrancs,ClaudeBurdin,inventel trminoturbina,comopartedeunanlisistericoenquesedabaunagranimportanciaala velocidadderotacin.BenoitFourneyron,unalumnodeBurdinenlaEscueladeMinerade Sainttienne,diseyconstruyruedasquealcanzabanvelocidadesderotacinde60rpm (revolucionesporminuto)omsyqueproporcionabanhasta50CVenlasfactoras metalrgicas francesas. Porltimo, Fourneyron construy turbinasque trabajaban a 2.300 rpm, desarrollando60CVy un rendimiento de ms del 80%. 5 Apesardeestaeficienciaexcepcional,laturbinadeFourneyrontenaalgunosinconvenientes causadosporelflujocentrfugodelaguaquelaatravesaba.Estoprovocabaproblemassise reduca el flujo de agua o su carga. El ingeniero estadounidense nacido en Gran Bretaa James B. Francis dise una turbina en la que el flujo se produca hacia el interior. La llamada turbina de reaccin o turbina Francis se convirti en la turbina hidrulica ms utilizada con presiones de agua, o alturas de cada, equivalentes a una columna de agua de 10 a 100 m. Este tipo de turbina funciona debido a la expansin del agua mientras fluye a travs de los espacios entre las palas, lo que produce una fuerza neta, o reaccin, con un componente tangencial que pone la rueda en movimiento.LaruedaPelton,cuyonombreprovienedelingenieroestadounidenseLesterAllenPelton,se empez a aplicar durante la segunda mitad del siglo XIX, en instalaciones donde la presin del aguaeraequivalenteaunacolumna deaguadeentre90y900m. Enestetipodeturbinasel aguaseconducedesdeundepsitoagranalturaatravsdeuncanalounaconduccin forzadahastaunaboquillaeyectoraqueconviertelaenergacinticadelaguaenunchorroa presin.DadoquelaaccindelaruedaPeltondependedelimpulsodelchorrosobreella,en lugarde la reaccindel aguaen expansin, estetipode turbina se denomina tambinturbina de accin.

6 ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE UNA TURBINA Los elementos constitutivos de una turbina son anlogos a los de una bomba; pero dispuestos en orden inverso. Los elementos de la turbina son: -Canaldellegada.(Lminalibreotuberaforzada).-Correspondealatuberade impulsin de una bomba. Al final de la tubera forzada se instala una vlvula o mariposa. -Caja espiral.-Transforma presin en velocidad; en una bomba, velocidad y presin. -Distribuidor.-Enunaturbinatransformapresinenvelocidadyactacomotobera (Dispositivo que convierte la energa potencial de un fluido en energa cintica). -Unestatoresunapartefijadeunamquinarotativa,lacualalbergaunapartemvil (rotor),enlosmotoreselctricoselestatorestcompuestoporunimnnatural(en pequeosmotoresdecorrientecontinua)oporunaovariasbobinasmontadassobre unncleometlicoquegeneranuncampomagnticoenmotoresmspotentesyde corriente alterna, tambin se les llama inductoras. -Rodete.-Esuntipoderotorsituadodentrodeunatuberaencargadodeimpulsarel fluido. -Tubodeaspiracin.-Enunaturbinaeselrganodeldesage,perosellamatubode aspiracin,porque creauna aspiracino depresina la salidadelrodete; mientrasque enlasbombasconstituyelatuberadeadmisin,ycreatambinunadepresinala entradadelrodete.Lasturbinasdeaccin,carecendetubodeaspiracin,enellasel agua sale del rodete directamente al canal de salida. -Cangiln.-Esunrecipienteencargadodeltransportedematerial,sonfabricadosde diversosmateriales,comoaceroinoxidable,carbonoydiversosplsticos,como polietileno, nylon y uretano. -Alabe.- Se denomina alabe a cada una de las paletas que forman parte de la turbina. 7

ALABE RODETECANGILON

ESTATOR ROTOR TURBINAS HIDRAULICASUna turbina hidrulica es una turbomquina motora hidrulica, que aprovecha la energa de un fluidoquepasaatravsdeellaparaproducirunmovimientoderotacinque,transferido medianteuneje,muevedirectamenteunamquinaobienungeneradorquetransformala energa mecnica en elctrica, as son el rgano fundamental de una Central hidroelctrica.

8 Clasificacin segn el grado de reaccin. Lasturbinassegnelgradodereaccin,seclasificanen3grupos:turbinasdereacciny turbinas de impulsin. Esta clasificacin se funda en el concepto de grado de reaccin; si el grado de reaccin es 0, la turbinasellamadeaccin,sielgradodereaccinesdistintode0,laturbinasellamade reaccin. Adems dentro de esta clasificacin entran las turbinas de impulsin. -Turbinas de accin: Son aquellas en las que el fluido de trabajo no sufre un cambio de presin importante en su paso a travs de rodete. Las turbinas de accin aprovechan solamente la velocidad del flujo del agua. Las turbinas de reaccin solo se construyen prcticamente de flujo tangencial y son las turbinas Pelton. -Turbinasdereaccin.-Turbinasdereaccin:Sonaquellasenlasqueelfluidode trabajosisufreuncambiodepresinimportanteensupasoatravsderodete.En contraste con la turbina de impulso, donde un chorro bajo presin atmosfrica incide ensolounaodospaletasalavez,elflujoenunaturbinadereaccinsedabajo presin.Hayunacadaenpresindesdeelradioexteriordelimpulsoralradio interior. Este es otro punto de diferencia respecto a la turbina de impulso, en donde la presinesigualparaelflujodeentradacomoparaeldesalida.Lasturbinasde reaccin se dividen en 2 : a)De flujo diagonal.- Estas a su vez se dividen en 2: de labes fijos, como las turbinas Francis,ylasdelabesorientables,quesonlasturbinasFrancisdelabes orientables. b)De flujo axial.- Estas tambin se dividen en 2: de labe fijos, como las turbinas hlice, y las de labes orientables, que son las turbinas de hlice de labes orientables, tambin llamadas Kaplan. -Turbinasdeimpulsin.-Sonaquellasturbinasquerequierenlaenergadeflujose convierta en energa cintica a travs de una tobera antes de que el lquido choque con el rotor; la energa se encuentra en la forma de un chorro de alta velocidad, o cerca de la presin atmosfrica, este chorro que sale de la tobera sobre las paletas de la rueda de la turbina o rodete. 9 La caracterstica bsica de la turbina de impulso respecto a la mecnica de fluidos es la produccin de potencia cuando el chorro es desviado por las paletas mviles. La rueda Peltonesuna turbina de impulsinintegradapor 3 componentesbsicos: una oms toberas de entrada estacionarias, un rotor y una caja o envoltura. El rotor se compone de varios cangilonesmontadossobreunaruedarotatoria.Lacargadepresincorrientearribadela tobera se transforma en energa cintica contenida en el chorro de agua que sale por la tobera. Cuandoelchorrochocaconloscangilonesrotatorios,laenergacinticaseconvierteenun momento de torsin rotatorio. Anlogamente, el grado de reaccin de una turbina (cT) se define de la siguiente forma: ct= altura de la presin absorbida por el rodete altura total absorbida por el rodete Clasificacin segn el nmero especifico de revoluciones ns=Npa1/2H-5/4 Donde: n: Revoluciones por minuto Pa : Potencia til H:Saltonetoenelpuntonominaldefuncionamientoopuntoparaqueelquela turbina alcanza su rendimiento optimo. (UTILIZACION DE ALGUNOS SIMBOLOSEN LOS TEXTOS Y FORMULAS) 10 Elnmeroespecficoderevolucionesesunnmerocomnparatodaslas turbinas/bombas geomtricamente semejantes LasturbinasPelton,cuyons,espequeosellamanLENTAS,yaquellascuyas revoluciones son ms altas se llaman rpidas. Las turbinas lentas: a)Giranavelocidadrelativamentemsbajaquelasturbinasrpidasporque colocadasenelmismosaltoyabsorbiendoelmismocaudal,laturbinade menores revoluciones girar tambin a menor velocidad. b)Absorbenrelativamentemenoscaudal,porquegirandoalmismonmerode revolucioneseinstaladasenelmismosaltoneto,laturbinademenores revoluciones absorber menos caudal. c)Sedestinanasaltosrelativamentemselevados,porquegirandoalmismo nmero de revoluciones y absorbiendo el mismo caudal, la turbina de menores revoluciones requerir un salto ms elevado. Elnmeroespecficoderevoluciones,demenoramayores:Pelton-Francis-Kaplan. Cuantomayoreselnmeroespecficoderevoluciones,tantomayoreselriesgode cavitacin de la turbina, es decir, una turbina Kaplan tiene ms probabilidad de que se d en ella el fenmeno de la cavitacin que en una Francis o una Pelton. TURBINAS TERMICAS a)Turbinasdegas.-Laturbinaconvencionaldegasconstadeuncompresorque presurizaelairequeentraalaturbinayloentregaaunacmarade combustin.Losgasesaaltapresinyaltatemperaturaqueresultandeuna combustin en la cmara se expanden en una turbina, que mueve al compresor ygenerapotencia.Lapotenciaentregadagasdeunaturbinadependedela razn de presin entrela cmara de combustin y la admisin; cuanta ms alta sea la razn de presin, ms alta sea la eficiencia. 11 Unaturbinadegas,esunaturbomquinamotora,cuyofluidodetrabajoesun gas.Comolacompresibilidaddelosgasesnopuedeserdespreciada,las turbinasagassonturbomquinastrmicas.Comnmentesehabladelas turbinasagasporseparadodelasturbinasyaque,aunquefuncionancon sustanciasenestadogaseoso,suscaractersticasdediseosondiferentes,y, cuando en estos trminos se habla de gases, no se espera un posible cambio de fase, en cambio cuando se habla de vapores s. Las turbinas de gas son usadas en los ciclos de potencia como el ciclo Brayton y en algunos ciclos de refrigeracin. b)Turbinas de vapor.- Su fluido de trabajo puede sufrir un cambio de fase durante supasoporelrodete;esteeselcasodelasturbinasamercurio,quefueron popularesenalgnmomento,yeldelasturbinasavapordeagua,quesonlas ms comunes. Igual de comn es clasificar las turbinas por la presin existente en ellas en relacin a otras turbinas dispuestas en el mismo grupo: a)Turbinasdealtapresin:sonlasmspequeasdeentretodaslasetapasy son las primeras por donde entra el fluido de trabajo a la turbina. b)Turbinas de media presin. c)Turbinasdebajapresin:Sonlasltimasdeentretodaslasetapas,sonlas mslargasyyanopuedensermsmodeladasporladescripcineuleriana de las turbomquinas. TURBINA EOLICASa)Turbinasdeviento.-Unaturbinaelicaesunmecanismoquetransformala energa del viento en otra forma de energa til como mecnica o elctrica. 12 Laenergacinticadelvientoestransformadaenenergamecnicapormedio delarotacindeuneje.Estaenergamecnicapuedeseraprovechadapara moler,comoocurraenlosantiguosmolinosdeviento,oparabombearagua, comoenelcasodelmolinomultipala.Laenergamecnicapuedeser transformada en elctrica mediante un generador elctrico (un alternador o un dinamo).Laenergaelctricageneradasepuedealmacenarenbateraso utilizarsedirectamente.Enesencia,laturbinadevientoessolounaaplicacin invertida del proceso de introducir energa en una corriente de aire para obtener unafuerzadepropulsin.Laturbinadevientoextraeenergadelvientopara producir potencia, pero hay una diferencia importante. Laturbinadevientoconvencionalconstadeunahlicemontadasobreuneje horizontal con una paleta, u otro dispositivo, para alinear al eje de la hlice en la direccin del viento. TURBINAS SUBMARINAS Turbinas de viento.- La extraccin de energa del viento, por medio de una turbina,se estudiaconunafrecuenciacomofuentealternadeenerga.Enesencia,laturbinade vientoessolounaaplicacininvertidadelprocesodeintroducirenergaenuna corrientedeaireparaobtenerunafuerzadepropulsin.Laturbinadevientoextrae energa del viento para producir potencia, pero hay una diferencia importante. El lmite tericosuperiordelaeficienciadeunahlicequealimentaenergaaunacorrientede aire es 100%, es decir, es tericamente posible, si se desprecian los efectos viscosos. 13 VELOCIDAD ESPECFICA DE LAS TURBINAS Debidoalaatencinconcentradaenlaproduccindepotenciaparaturbinas,la velocidad especfica para ella se define en trminos de potencia: ns: nP g 3/4 1/2 ht 5/4 Tambindebeobservarsequelasturbinasgrandesparaaguasonnaturalmentems eficientes que las bombas. La razn para esto es que cuando el fluido sale del impulsor deunabomba,desacelerademodoapreciableenunadistanciarelativamentecorta. Del mismo modo, como las paletas gua por lo general no se usan en los pasajes de flujo con bombas, se forman elevados gradientes de velocidad local, lo que a su vez genera unaintensamezclayturbulencia,producindoseasgrandesprdidasdecarga.Enla mayor parte de las instalaciones de turbinas, el flujo que sale del rodete de una turbina se reduce de manera gradual, produciendo as una situacin de flujo mucho ms suave y menos perdida de carga que para la bomba. TRIANGULOS DE VELOCIDAD En el lenguaje de las turbomquinas se habla de tringulo de velocidades para referirse al tringulo formado por tres vectores los cuales son: La velocidad absoluta del fluidoLa velocidad relativa del fluido respecto al rotorLa velocidad lineal del rotor 14 Estos tres vectores forman un tringulo ya que la sumaen un mismo punto es igual aen ese punto por leyes del movimiento relativo. El ngulo entre los vectores c y ues denotado y el ngulo entre los vectores w yu esdenotado.Estanomenclaturaserutilizadaatravsdetodoesteartculoyes norma. TRIANGULOS IDEAL Y REAL DE ENTRADA Y DE SALIDA RESPECTIVAMENTE DE UNA TURBINA 15 BIBLIOGRAFIA Mecnica de fluidos. Crowe Robertson Elger. Compaa editorial continental. Pp. 652-664 Mecnica de fluidos. Potter y Wiggert. Ed. Thomson. Pp. 559-573 Mecnica de los fluidos e hidrulica. Giles. Evett y Liu. Ed. Mc Graw Hill Pp363-369 Mecnica de fluidos y maquinarias hidrulicas Claudio Mataix.Ed. Alfa omega. Pp. 460-471. CIBERGRAFIA http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_hidr%C3%A1ulica http://html.rincondelvago.com/las-turbinas.html http://www.rcnoticias.com/Tecnicas/turbinas.htm http://es.wikipedia.org/wiki/Turbom%C3%A1quina#Tri.C3.A1ngulo_de_velocidades http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina FIRMAFIRMA COLIN SERRANO MANUEL SEGUNDO VERA ROLANDO