turbina radial

Tipo de turbina

Una turbina radial es una turbina en la que el flujo del fluido de trabajo es radial al eje. La diferencia entre turbinas axiales y radiales consiste en la forma en que el fluido fluye a través de los componentes (compresor y turbina). Mientras que en una turbina axial el rotor es "impactado" por el flujo de fluido, en una turbina radial, el flujo se orienta suavemente perpendicular al eje de rotación y acciona la turbina de la misma manera que el agua impulsa un molino de agua . El resultado es una menor tensión mecánica (y menos tensión térmica, en el caso de fluidos de trabajo calientes), lo que permite que una turbina radial sea más simple, más robusta y más eficiente (en un rango de potencia similar) en comparación con las turbinas axiales. Cuando se trata de rangos de potencia elevados (superiores a 5 MW ) la turbina radial deja de ser competitiva (debido a su rotor pesado y caro) y la eficiencia se vuelve similar a la de las turbinas axiales.

turbina radial

Ventajas y desafíos

En comparación con una turbina de flujo axial , una turbina radial puede emplear una relación de presión relativamente más alta (≈4) por etapa con caudales más bajos. Por lo tanto, estas máquinas se encuentran en los rangos de velocidad y potencia específicos más bajos. Para aplicaciones de alta temperatura, el enfriamiento de las palas del rotor en etapas radiales no es tan fácil como en las etapas de turbina axial. Las aspas de boquilla de ángulo variable pueden brindar eficiencias de etapa más altas en una etapa de turbina radial incluso en un punto de operación fuera de diseño. En la familia de las turbinas hidráulicas, la turbina Francis es una turbina IFR muy conocida que genera mucha mayor potencia con un impulsor relativamente grande.

Componentes de turbinas radiales.

• 
  Etapa de turbina radial de flujo hacia adentro de noventa grados
• 
  Triángulos de velocidad para una etapa de turbina radial de flujo hacia adentro (IFR) con álabes voladizos

Las componentes radial y tangencial de la velocidad absoluta c ₂ son cr ₂ y c _q2 , respectivamente. La velocidad relativa del flujo y la velocidad periférica del rotor son w ₂ y u ₂ respectivamente. El ángulo del aire en la entrada de las palas del rotor está dado por

${\displaystyle \,\tan {\beta _{2}}={\frac {c_{r2}}{c_{\theta 2}-u_{2}}}}$

Diagrama de entalpía y entropía.

El estado de estancamiento del gas en la entrada de la boquilla está representado por el punto 01. El gas se expande adiabáticamente en las boquillas desde una presión p ₁ a p ₂ con un aumento en su velocidad de c ₁ a c ₂ . Dado que se trata de un proceso de transformación de energía, la entalpía de estancamiento permanece constante pero la presión de estancamiento disminuye (p ₀₁ > p ₀₂ ) debido a las pérdidas. En el rotor se produce la transferencia de energía acompañada de un proceso de transformación de energía.

Diagrama de entalpía-entropía para el flujo a través de una etapa de turbina IFR

Velocidad de chorro

Una velocidad de referencia (c ₀ ) conocida como velocidad isentrópica, velocidad de chorro o velocidad terminal de la etapa se define como aquella velocidad que se obtendrá durante una expansión isentrópica del gas entre las presiones de entrada y salida de la etapa.

${\displaystyle \,C_{0}={\sqrt {2C_{p}\,T_{01}\,\left(1-\left({\frac {p_{3}}{p_{01}}}\right)^{\frac {\gamma -1}{\gamma }}\right)}}}$

Eficiencia escénica

La eficiencia total a estática se basa en este valor de trabajo.

${\displaystyle {\begin{aligned}\eta _{\text{ts}}&={\frac {h_{01}-h_{03}}{h_{01}-h_{3ss}}}={\frac {\psi \,u_{2}^{2}}{C_{p}\,T_{01}\left(1-\left({\frac {p_{3}}{p_{01}}}\right)^{\frac {\gamma -1}{\gamma }}\right)}}\end{aligned}}}$

Grado de reacción

La presión relativa o la caída de entalpía en la tobera y las palas del rotor están determinadas por el grado de reacción de la etapa. Esto se define por

${\displaystyle R={\frac {\text{static enthalpy drop in rotor}}{\text{stagnation enthalpy drop in stage}}}}$

Las dos cantidades entre paréntesis en el numerador pueden tener el mismo signo o signos opuestos. Esto, además de otros factores, también determinaría el valor de la reacción. La reacción de la etapa disminuye a medida que aumenta C _θ2 porque esto da como resultado que una gran proporción de la caída de entalpía de la etapa ocurra en el anillo de la boquilla.

Variación del grado de reacción con el coeficiente de flujo y el ángulo del aire en la entrada del rotor.

Pérdidas de etapa

El trabajo del escenario es menor que la caída de entalpía isentrópica del escenario debido a las pérdidas aerodinámicas en el escenario. La producción real en el eje de la turbina es igual al trabajo de la etapa menos las pérdidas debidas a la fricción del disco del rotor y del cojinete.

1. Fricción de la piel y pérdidas por separación en la espiral y el anillo de la boquilla.

   Dependen de la geometría y del coeficiente de fricción superficial de estos componentes.

2. Pérdidas por fricción y separación en los canales de las palas del rotor.
   Estas pérdidas también están gobernadas por la geometría del canal, el coeficiente de fricción superficial y la relación de las velocidades relativas w ₃ /w ₂ . En la etapa de turbina IFR de noventa grados, las pérdidas que ocurren en las secciones radial y axial del rotor a veces se consideran por separado.
3. Fricción cutánea y pérdidas por separación en el difusor.
   Estos se rigen principalmente por la geometría del difusor y la velocidad de difusión.
4. Pérdidas secundarias
   Estos se deben a los flujos circulatorios que se desarrollan en los diversos conductos de flujo y se rigen principalmente por la carga aerodinámica de las palas. Los principales parámetros que gobiernan estas pérdidas son b ₂ /d ₂ , d ₃ /d ₂ y la relación buje-punta a la salida del rotor.
5. Pérdidas por shock o incidencia
   En el caso de un funcionamiento fuera de diseño se producen pérdidas adicionales en los anillos de tobera y de las palas del rotor debido a la incidencia en los bordes de ataque de las palas. Esta pérdida se denomina convencionalmente pérdida por choque, aunque no tiene nada que ver con las ondas de choque.
6. Pérdida de espacio libre de la punta
   Esto se debe al flujo sobre las puntas de las palas del rotor, que no contribuye a la transferencia de energía.

Pérdidas en el rotor de una etapa de turbina IFR

Relación de velocidad de la hoja y del gas

La relación de velocidad de la pala a gas se puede expresar en términos de la velocidad terminal de la etapa isentrópica c ₀ .

${\displaystyle \,\sigma _{s}={\frac {u_{2}}{c_{0}}}=[2(1+\phi _{2}\cot {\beta _{2}})]^{-{\frac {1}{2}}}}$

para

β ₂ = 90 ^o

σ _s ≈ 0,707

Variación de la eficiencia de etapa de una turbina IFR con relación de velocidad de álabes a gas isentrópico

Etapas radiales de flujo hacia afuera

En las etapas de turbina radial de flujo hacia afuera, el flujo de gas o vapor se produce desde diámetros más pequeños a más grandes. El escenario consta de un par de palas fijas y móviles. El área creciente de sección transversal en diámetros mayores acomoda el gas en expansión.

Esta configuración no se hizo popular entre las turbinas de vapor y de gas. La única que se emplea más comúnmente es la turbina de tipo Ljungstrom de doble rotación . Consiste en anillos de palas voladizas que se proyectan desde dos discos que giran en direcciones opuestas. La velocidad periférica relativa de las palas en dos filas adyacentes, entre sí, es alta. Esto proporciona un valor más alto de caída de entalpía por etapa.

La turbina radial sin palas de Nikola Tesla

A principios del siglo XX, Nikola Tesla desarrolló y patentó su turbina Tesla sin aspas . Una de las dificultades de las turbinas de palas son los requisitos complejos y altamente precisos para el equilibrio y la fabricación del rotor de palas, que debe estar muy bien equilibrado. Las palas están sujetas a corrosión y cavitación . Tesla atacó este problema sustituyendo las palas del rotor por una serie de discos muy espaciados. El fluido de trabajo fluye entre los discos y transfiere su energía al rotor mediante el efecto de capa límite o adhesión y viscosidad en lugar de mediante impulso o reacción. Tesla afirmó que su turbina podría lograr eficiencias increíblemente altas mediante vapor. No ha habido evidencia documentada de que las turbinas Tesla logren las eficiencias que Tesla afirmó. Se ha descubierto que tienen eficiencias generales bajas en el papel de turbina o bomba. ^[1] En las últimas décadas se han realizado más investigaciones sobre turbinas sin aspas y se han desarrollado diseños patentados que funcionan con materiales corrosivos/abrasivos y difíciles de bombear, como etilenglicol, cenizas volantes, sangre, rocas e incluso peces vivos. ^[1]

Notas

1. "Autor, Harikishan Gupta E. y autor, Shyam P. Kodali (2013). Diseño y funcionamiento de la máquina Tesla Turbo: una revisión del estado del arte. Revista internacional de fenómenos de transporte avanzados, 2 (1), 2- 3" (PDF) .

Referencias

• 'Turbinas, Compresores y Ventiladores 4ª Edición' [Autor: SM Yahya; editor: TATA McGraw-Hill Education (2010)] ISBN 9780070707023 
• 'Una revisión de datos en cascada sobre pérdidas secundarias en turbinas' [Autor: J Dunham; J. Mech Eng Sci., 12, 1970]
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