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  • Turbina 


 

 

 

Turbina de Acción

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 Objeto: 

Ensayo de una turbomáqina axial, desde el punto de vista mecánico y térmico

 

ENSAYO DE TURBINAS DE ACCION. CURVAS CARACTERISTICAS.

 

INTRODUCCION

Las turbinas son máquinas que desarrollan par y potencia en el eje como resultado de la variación de la cantidad de movimiento del fluido que pasa a través de ellas.

Dicho fluido puede ser un gas, vapor o líquido, si bien las notas que se dan a continuación son aplicables a turbinas que operan con gas o vapor.

Para que el fluido alcance la alta velocidad requerida para que se produzcan variaciones útiles en el momento, debe haber una diferencia importante entre la presión a la entrada a la turbina y la de escape.

Como fuentes de gas presurizado cabe mencionar un gas previamente comprimido y calentado, como sería el caso de una turbina de gas, o en la turbina de un turbosobrealimentador de un motor de C.I. En la industria de generación de electricidad es muy frecuente el uso de vapor generado en calderas a alta presión que utilizan combustibles sólidos o nucleares para mover los alternadores accionados por turbinas de vapor.

Existen numerosos tipos de turbinas, desde la más elemental utilizada en el buril de un dentista, hasta las grandes turbinas multiexpansión empleadas en las centrales energéticas, que pueden llegar a desarrollar hasta 1000 MW.

La turbina que vamos a ensayar se trata de una "turbina de acción simple monoexpansiva y de flujo axial".

"Simple" por ser una turbina sin complicaciones tales como la doble expansión de acción.

"Monoexpansiva" se refiere a que sólo tiene un escalonamiento.

"De flujo axial" significa que el fluido entra y sale del rotor al mismo radio, y sin componentes radiales de importancia en su velocidad.

Finalmente "de acción" indica que la caída de presión del fluido y su consiguiente aumento de velocidad, tiene lugar en el estator, es decir, en las toberas. Por tanto, el fluido pasa a través del rotor a una presión casi constante, produciéndose solamente un cambio en su velocidad.

Aplicación de la Primera ley de la Termodinámica

El diagrama representa una turbina a través de la cual pasa una unidad de masa de fluido en condiciones de flujo estacionarias. La presión, entalpía específica y velocidad del fluido, varían a su paso por la máquina. al tiempo que fluye la unidad de masa fluida, tiene lugar una transferencia de trabajo y calor.

Normalmente, la velocidad en la tubería de entrada y de salida es parecida, y baja en comparación de las velocidades dentro de la turbina, por lo que

q = h2 - h1 + w

En la práctica, las turbinas son máquinas compactas que trabajan a altas velocidades másicas, y aunque se produzca una transferencia de calor, la transferencia de calor por unidad de masa unitaria suele ser lo bastante pequeña como para poder despreciarse.

Por consiguiente w = h1 - h2

Expansión isentrópica

La expansión en una turbina ideal se produciría sin pérdida o ganancia de calor (es decir, adiabática) y sin ninguna disipación de la energía disponible debido a la fricción, el estrangulamiento, etc. (es decir, reversible). Un proceso reversible y adiabático es isentrópico (entropía constante).

Si se representa dicha expansión en un diagrama de entalpía - entropía, se puede determinar la transferencia ideal de trabajo.

 

Rendimiento isentrópico

Debido a las irreversibilidades de una auténtica turbina, la transferencia real de trabajo será menor que en una máquina ideal, y por lo tanto, la entalpía específica de salida será mayor que h2´. Los estados finales de una turbina real serán los siguientes, pudiéndose observar la disipación de energía disponible.

Rendimiento global

Las pérdidas de energía en una turbina de acción son:

- Fricción del fluido en el estator (toberas).

- Fricción del fluido en los pasajes del rotor (álabes).

- Pérdidas de fluido en las puntas de los álabes o en las juntas.

- Fricción entre el rotor y el fluido.

- Pérdidas por ventilación.

- Energía cinética rechazada en el rotor.

Debido a la variación de entalpía a través de la turbina, la temperatura de escape estará normalmente por debajo de la del ambiente, por lo que habrá la correspondiente transferencia de calor a la caja.

Puesto que la turbina funciona a base de aire, resulta útil emplear un diagrama de temperatura - entropía y calcular la variación de entalpía.

Material:

DESCRIPCION

Unidad de sobremesa que aloja una turbina de acción de flujo axial monoexpansiva que opera a base de aire. Lleva instalado un dinamómetro y todos los controles e instrumentos necesarios para evaluar el funcionamiento y rendimiento de la turbina.

Turbina

De acción monoexpansiva y flujo axial, velocidad hasta 50.000 r.p.m., potencia aproximada 50 W a 25.000 r.p.m. con aire a 60 kN/m2 .

Rotor

Latón con sujección de acero inoxidable. 45 álabes en un círculo de 45 mm de diámetro medio. Angulo de entrada y salida de los álabes 40º. altura del álabe 4.25 mm. Momento de inercia de las partes móviles: I=30 x 10-6 kg m2.

Alabes

Toberas

Cuatro de tipo convergente, cada una con válvula de aislamiento.2 mm de diámetro. Angulo de descarga 20º al plano de rotación.

Cojinetes

Rodamientos de bolas con lubricación por aceite.

Dinamómetro

Medidor de fuerza y correa que operan sobre la rueda de freno enfriada por aire. Radio efectivo (radio de la correa + la mitad del espesor de la correa) = 14.5 mm.

Filtro - regulador

Filtra y estabiliza la presión del aire a la entrada.

 

Instrumentos

Temperatura

Indicador digital, termopares tipo K para temperatura de entrada y salida.(-50 a 1200ºC) precisión 0.1 ºC.

Gasto de aire

Flujómetro de cristal de área variable. Límites de 1 a 9 g / s.

Velocidad

Sensor óptico e indicador de 5 dígitos. límites de 0 a 99999 r.p.m.

Presión

Manómetro. Límites de 0 a 100 kN / m2.

esquema instalación Turbina

Seguridad

Válvula de descarga de seguridad que impide la sobrepresión y consiguiente sobrevelocidad de la turbina. grueso anillo de protección alrededor del rotor.

PRECAUCIONES

- Al igual que cualquier máquina de alta velocidad, la turbina debe tratarse y utilizarse con sumo cuidado. Si se producen ruidos o vibración inusual, debe cerrarse inmediatamente la válvula de admisión.

- La velocidad continua máxima de la turbina es de 40.000 rpm, si bien puede funcionar a 50.000 rpm durante un breve periodo de tiempo.

- Con la turbina parada, puede retirarse la caja de escape para examinar detenidamente la turbina. Siempre que la turbina esté en funcionamiento la caja de escape ha de estar cerrada.

- Los cojinetes deben lubricarse regularmente.

 

NOTAS SOBRE EL FUNCIONAMIENTO

Tacómetro

El tacómetro cuenta el número de revoluciones hechas por la turbina a intervalos de 0.8 segundos, por lo que éste se actualiza transcurrido este tiempo. Pequeños cambios de presión o de la temperatura del aire harán que varíen los dos, o posiblemente los tres últimos dígitos. Se recomienda ignorar los dos últimos dígitos sustituyéndolos por 00.

 

Medición del gasto de aire

La velocidad másica del aire se obtiene leyendo la escala del tubo de cristal contra la cara superior de la boya. El valor de la escala es correcto para una densidad del aire de 1.2kg/m3. Para otras densidades, el valor observado deberá multiplicarse por el factor de corrección de rotámetro (k) obtenido del gráfico pegado al panel.

Medición de la temperatura

El conmutador que se encuentra bajo el indicador de temperatura permite seleccionar la temperatura del aire en el tubo de entrada o de salida. En las pruebas en que la temperatura sea importante, debe darse tiempo a que ésta se estabilice.

PREPARACION

A) Asegurarse de que la correa de freno esté bien montada sobre las dos poleas y el medidor de fuerza. aflojar el tornillo tensor para que la correa quede suelta.

B) Asegurarse de que la caja de escape esté en su posición y los clips cerrados.

C) Lubricar los cojinetes con 4 gotas de aceite.

D) Verificar que todas las válvulas de aislamiento de las toberas estén abiertas.

E) Conectar el suministro eléctrico.

F) Abrir el suministro de aire comprimido y, lentamente, ir abriendo la válvula de admisión hasta que la presión de entrada esté entre 30 y 40 kN / m2. En este momento la turbina deberá funcionar entre 20.000 y 30.000 rpm.

G) Ajustar el tornillo de la carga de freno para "sentir" el control de carga y luego ajustar la velocidad a aproximadamente 15.000 rpm.

H) Abrir lentamente la válvula de admisión y comprobar que la presión de entrada esté entre 60 y 65 kN / m2.

 

La unidad se encuentra ahora lista para su utilización.

1 APLICACION DE LA ECUACION DE LA ENERGIA

Procedimiento

1) Preparar la turbina para su funcionamiento según se ha descrito anteriormente.

2) Abrir todas las válvulas de aislamiento de las toberas, y ajustar la válvula de admisión para obtener una presión de entrada de 60 kN / m2.

3) Ajustar la carga de freno de manera que la turbina funcione a aproximadamente el 50 % de la velocidad sin carga.

4) Mantener estables la presión de entrada y la velocidad hasta que la temperatura del aire de entrada y de salida sea bastante estable.

5) Observar y anotar las indicaciones de todos los instrumentos.

 

Cálculos

Variación de entalpía específica: ( h2 - h1 ) = cp ( t2 - t1 )

cp para el aire = 1.004 kJ kg-1 K-1

Aplicar la Ecuación de la Energía.

 

Trabajo de gabinete

Especificar mediante un esquema del volumen de control, la magnitud y sentido de los flujos energéticos. Explicar el sentido de la transferencia de calor en la turbina.

 

 

2 DETERMINACION DEL RENDIMIENTO DE UNA TURBINA

Procedimiento

1) Preparar la turbina para su funcionamiento según se ha descrito anteriormente.

2) Abrir todas las válvulas de aislamiento de las toberas, y ajustar la válvula de admisión para obtener una presión de entrada de 60 kN / m2.

3) Ajustar la carga de freno de manera que la turbina funcione a aproximadamente el 50 % de la velocidad sin carga.

4) Mantener estables la presión de entrada y la velocidad hasta que la temperatura del aire de entrada y de salida sea bastante estable.

5) Observar y anotar las indicaciones de todos los instrumentos.Anotar presión atmosférica.

 

Cálculos

Relación de presiones de la turbina ; p2 Presión atmosférica

Rendimiento efectivo e / ( h1 - h2´ )

 

Trabajo de gabinete

Representar el proceso de expansión en un diagrama T - s. ¿Porqué la potencia efectiva no es igual a cp (T1 - T2 ) ?

 

3 TRAZADO DE LAS CURVAS PAR - VELOCIDAD Y POTENCIA - VELOCIDAD

 

Procedimiento

1) Preparar la turbina para su funcionamiento según se ha descrito anteriormente con todas las válvulas de aislamiento de toberas abiertas.

2) Ajustar la válvula de admisión al valor deseado de la presión (p.e. 60 kN / m2) . Esta presión debe mantenerse durante toda la prueba.

3) Aflojar el tornillo de ajuste del freno hasta que la turbina funcione cerca de su velocidad máxima, SIN exceder las 50.000 rpm.

4) Cuando las condiciones se estabilicen, anotar la velocidad, la fuerza, y el gasto de aire.

5) Girar el tornillo de ajuste del freno hasta que la turbina gire a una velocidad menor, teniendo en cuenta que habrá qe obtener al menos seis puntos de funcionamiento entre la velocidad máxima y la velocidad nula. Cuando se estabilice, repetir las observaciones.

6) Repetir a disminuciones similares de velocidad hasta que la turbina se detenga finalmente.

7) Ahora se puede repetir el experimento a otras presiones constantes de entrada. ( p.e. 40 y 20 kN / m2 ).

Cálculos

Par M = Fuerza x Radio

Potencia al eje e = Par x Velocidad angular

Trabajo de gabinete

Representar en un mismo gráfico los resultados obtenidos. Comentar estos resultados.

¿ Cuando obtenemos rendimientos máximos?¿Porqué?

4 DETERMINACION DE LA FRICCION FLUIDA Y MECANICA

Procedimiento

1) Preparar la turbina para su funcionamiento según se ha descrito anteriormente.

2) Aflojar y retirar la correa de freno de la rueda de freno.

3) Hacer funcionar la turbina a aproximadamente 50.000 rpm y luego cortar el suministro de aire comprimido.

4) A medida que vaya bajando la velocidad de la turbina, anotar una de cada dos indicaciones del tacómetro. (El tacómetro actualiza su medida cada 0.8 segundos, por lo que las anotaciones se hacen cada 1.6 segundos).

5) Asegurarse de haber tomado todos los puntos de la forma correcta.

Acceso Videos de la práctica

                

 V1,V2 V3  V4  V5V6V7 V8 V9V10 V11
P (kPa)  5010  254050709090909090
 gasto (g/s) 3.21.95 3.84.04.54.95.64.2 31.6
 nº Toberas 34 334443 21

 

Cálculos

Deceleración angular

Par de fricción Mf = I·a

Potencia de fricción Wf = Mf·w

Trabajo de gabinete

Dibujar la gráfica velocidad de rotación - tiempo. Trazar diversas pendientes a esta curva para obtener el valor de la deceleración angular en distintos puntos. Dibujar la curva deceleración angular - velocidad angular. Se pued implementar con una hoja de cálculo

Trazar las curvas Par de fricción - velocidad angular y potencia de fricción - velocidad angular.

¿ Qué causas provocan el efecto de fricción? ¿Cómo varían con la velocidad?

Deducir el par y la potencia desarrollados en las paletas.

 

5.- COMPARACION DEL CONSUMO ESPECIFICO DE AIRE CUANDO SE CONTROLA LA POTENCIA GENERADA POR ESTRANGULACION O POR TOBERAS. LINEA DE WILLANS.

1) Preparar la turbina para su funcionamiento según se ha descrito anteriormente.

2) Abrir todas las válvulas de aislamiento de las toberas.

3) Definir una velocidad rotacional constante , p.e. 20.000 rpm.

4) Poner en marcha la turbina y ajustar la válvula de admisión y el freno de manera que la turbina funcione a la velocidad deseada con una presión de entrada alta , p.e. 60 kN /m2.

5) Anotar la velocidad, presión de entrada, fuerza, y gasto.

6) Ajustar la válvula de admisión y el freno de manera que la turbina siga funcionando a la misma velocidad pero a una presión de entrada más baja ( p.e. 50 kN / m2 ). Repetir las observaciones.

7) Repetir la operación a presiones cada vez más bajas hasta que no se pueda obtener la velocidad deseada.

8) Cerrar una de las válvulas de aislamiento de tobera, dejando las otras tres en funcionamiento.

9) Repetir los pasos 5) a 7).

10) Repetir con dos toberas en operación y finalmente con una sola.

 

Nota: Con una sola tobera el gasto de aire es reducido, por lo que se obtendrá un valor más preciso de dicha velocidad calculando un 25 % del flujo de aire a través de las cuatro toberas a la misma presión de entrada.

 

Cálculos

Potencia al eje 

Consumo específico de aire c.e.a. 

 

Trabajo de gabinete

Representar gráficamente el consumo específico de aire frente a la potencia, tomando como parámetro el número de toberas abiertas. Expresar el c.e.a. en g/kJ. Dibujar la línea de Willans de la turbina para una velocidad dada.

6.- Obtención de las curvas características de la turbina de gas.

 

Para el caso de una turbina, el flujo entra a través de un conjunto de toberas. Cuando el flujo en la garganta de una tobera alcanza la velocidad del sonido se dice que es un flujo estrangulado. El flujo estrangulado se produce cuando la relación P2 / P1 alcanza un valor crítico y entonces el gasto ya no puede aumentar.

Por debajo de este valor crítico, la relación , tiene un pequeño efecto en el valor de la relación

 

Procedimiento

Con los datos tomados en la práctica anterior (5) para cuatro toberas abiertas, y los tomados para esa misma práctica a otra velocidad de giro, se pueden obtener los parámetros necesarios para dibujar la gráfica precedente.

Trabajo de gabinete

Dibujar la gráfica anterior para dos velocidades de giro constantes. Observar que en nuestro caso no llega a alcanzarse la velocidad sónica en las toberas de la turbina.

Trabajo de gabinete:

Representar gráficamente los resultados obtenidos y realizar el informe del ensayo según las normas generales.

 

Práctica Virtual

Existe la posibilidad de trabajar sobre una simulación informática del comportamiento de éste equipo, de forma que el alumno pueda "jugar" con el equipo sin limitaciones, pudiendo modificar parámetros que no se podrían variar sobre el equipo real de laboratorio. No es necesario ceñirse a una sola unidad de prácticas.  Enlace al Laboratorio Virtual.

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José A. Millán