Clase 4 1 Aspectos Generales de las Máquinas

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TURBOMÁQUINAS TÉRMICAS
CT-3412CT-3412
4. Aspectos Generales de las Máquinas 1
Prof. Nathaly Moreno Salas
Ing. Victor Trejo
Contenido (1/3)
� Turbinas a vapor
� Definición
� Ámbito de aplicación
� Desarrollo técnico de las turbinas a vapor� Desarrollo técnico de las turbinas a vapor
� Clasificación
� Expansión en una turbina a vapor
� Particularidades de las turbinas de baja presión:
� Cambio del flujo volumétrico
� Condensación
Contenido (2/3)
� Turbinas a gas
� Definición
� Características
� Desarrollo de las turbinas a gas
� Parámetros de influenciaParámetros de influencia
� Enfriamiento de álabes
� Potencia útil en una turbina a gas
� Ámbito de aplicación:
� Propulsión de aviones
� Aplicaciones industriales
� Turbinas a gas aeroderivadas
� Microturbinas a gas
� Eficiencias y capacidades de algunas turbinas a gas
� Límites de temperatura y presión
Contenido (3/3)
� Turbocompresores
� Definición
� Características
� Principio de trabajo
� Compresores centrífugos� Compresores centrífugos
� Compresores axiales
� Inestabilidades:
� Stall (entrada en pérdida)
� Rotating stall (entrada en pérdida rotativa)
� Surge (bombeo)
� Construcción
� Carcasa partida
� Tipo barril
Turbinas a vapor
Turbina a vapor con recalentamiento usada en ciclo de combinado (General Electric Co.)
Turbinas a vapor: Definición
� Una turbina a vapor es una 
TMT que tiene como fluido 
de trabajo el vapor de una 
sustancia (generalmente sustancia (generalmente 
agua). Se emplea una 
fuente de energía primaria 
para producir vapor que 
será expandido para 
extraerle energía.
Turbina a vapor diseñada por Herón 
de Alejandría (10-70d.C) conocida 
como eolípila
Turbinas a vapor: Ámbito de aplicación (1/2)
� Son empleadas en:
� Plantas de generación:
� A carbón
� Nucleares
� De ciclo combinado
(turbina a gas + turbina a vapor)
� Termosolares
� Geotérmicas
Esquema de funcionamiento
de una central termosolar
Esquema de funcionamiento
de una central geotérmica
Esquema de
funcionamiento
de una central
nuclear
Turbinas a vapor: Ámbito de aplicación (2/2)
� Son empleadas en:
� Aplicaciones industriales (industria química)
� Propulsión de grandes barcos (>15MW, buques 
cisterna, portaaviones)
Turbina a vapor del Titanic que impulsaba la hélice central
El barco era accionado por motor y turbina a vapor
Turbina de baja presión a vapor en el
portaviones USS Hornet
Turbinas a vapor: Desarrollo técnico
� Con el aumento 
de la capacidad 
de las turbinas 
de vapor de 
trabajar a 
niveles de niveles de 
temperatura y 
presión más altos, 
aumenta su 
eficiencia 
térmica. Estos dos 
factores son 
importantes en su 
diseñoDesarrollo técnico de las turbinas de vapor en el tiempo (1900-2010)
Fuente: Presentaciones de la asignatura Turbinas a vapor y a gas de la universidad de Stuttgart
Turbinas a vapor: Clasificación (1/2)
� Las turbinas a vapor se clasifican según el nivel de 
presión que manejan en:
� De baja presión
� De presión media� De presión media
� De alta presión
Fuente: Presentaciones de la asignatura Turbinas a vapor y a gas de la universidad de Stuttgart
Cuando el vapor de agua se 
expande, su densidad 
aumenta de forma importante. 
Esto se ve reflejado en el gran 
tamaño de una turbina a 
vapor de baja presión con 
respecto al de una de alta 
presión.
Turbinas a vapor: Clasificación (2/2)
Fuente: Presentaciones de la asignatura Turbinas a vapor y a gas de la universidad de Stuttgart
Proceso de expansión en una turbina a vapor (1/2)
¡Gran
aumento
del flujo
volumétrico!
Proceso de expansión en una turbina a vapor (2/2)
Expansión en 
turbina a vapor
de baja presión
Línea de saturación
¡Condensación!
Particularidades de las turbinas de baja presión
� Al ver cómo se desarrolla el proceso de
expansión en las turbinas a vapor,
encontramos dos aspectos resaltantes en las
turbinas de baja presión:turbinas de baja presión:
� El aumento del flujo volumétrico
� La presencia de condensación
Turbinas a vapor: Aumento del flujo volumétrico (1/3)
� Como vimos, en las turbinas a vapor de baja 
presión, el volumen puede aumentar más de 1500 
veces. Esto tiene importantes consecuencias en:
� Diseño de la planta: 2 o 3 turbinas de baja presión Diseño de la planta: 2 o 3 turbinas de baja presión 
para manejar el mismo flujo másico que pasó por 1 
turbinas de media presión
Turbinas a vapor: Aumento del flujo volumétrico (2/3)
…esto tiene importantes consecuencias en:
� Diseño de la turbina:
� Incremento importante del tamaño de la máquina con 
respecto a una de media o baja presión
Incremento rápido del tamaño de los álabes entre etapas� Incremento rápido del tamaño de los álabes entre etapas
Álabes de turbina de baja presión (doble flujo)
Turbinas a vapor: Aumento del flujo volumétrico (3/3)
� …esto tiene importantes consecuencias en:
� Diseño y dimensiones del condensador: El condensador debe ser capaz 
de recibir todo el vapor expandido en caso de parada.
Turbinas a vapor: Condensación (1/3)
� La condensación tiene dos efectos importantes:
� La producción de pérdidas
� La erosión de los álabes
Zonas de nucleación en una Zonas de nucleación en una 
turbina de vapor de baja 
presión
Fuente: Investigación numérica del flujo en una turbina de vapor de baja presión de 3 etapas operando a carga parcial –
Trejo V.
Diagrama h-s para distintos 
puntos de operación de la 
misma turbina.
Nótese que en la expansión se 
pasa la línea de saturación y 
se entra en el domo
Turbinas a vapor: Condensación (2/3)
� La condensación produce 3 tipos de 
pérdidas:
� Pérdidas termodinámicas: Intercambio 
de calor entre las fases produce 
irreversibilidades
� Pérdidas de arrastre: Las gotas con � Pérdidas de arrastre: Las gotas con 
menor velocidad que el fluido son 
arrastradas y se produce fricción
� Pérdidas por choque: Las gotas poseen 
una alta velocidad relativa con 
respecto al rotor y al chocar se 
producen pérdidas y erosión
En total, se estima un 1% de pérdidas por 
1% de humedad (Regla de Baumann)
Fuente: Investigación numérica del flujo en una turbina de vapor de baja presión de 3 etapas operando a carga parcial –
Trejo V.
Turbinas a vapor: Condensación (3/3)
� La erosión de los álabes se 
produce generalmente en la última 
etapa. Las fuerzas centrífugas 
llevan a las gotas hacia las 
cercanías de la carcasa y en esta cercanías de la carcasa y en esta 
zona impactan los álabes.
� Como medida correctiva se puede:
� Reforzar los álabes en la zona de 
impacto
� Retirar una pequeña fracción del flujo 
másico cerca de la carcasa para 
extraer las gotas
Erosión de álabes por impacto de gotas
Fuente: Presentaciones de la asignatura Fundamentos de las turbomáquinas térmicas de la universidad de Stuttgart