Turbomáquina de geometría variable

Una turbomáquina de geometría variable utiliza álabes móviles para optimizar su eficiencia en diferentes condiciones de funcionamiento. Este artículo se refiere a los álabes móviles que se utilizan en bombas de líquido y turbinas de turbocompresores. No cubre el uso generalizado de álabes móviles en compresores de turbinas de gas.

Características de rendimiento de las turbomáquinas[1]

Si todas las velocidades del fluido en los puntos correspondientes dentro de la turbomáquina tienen la misma dirección y son proporcionales a la velocidad de los álabes, entonces la condición de funcionamiento de una turbomáquina a dos velocidades de rotación diferentes será dinámicamente similar. Si dos puntos, cada uno en una curva de características de caudal-cabeza diferentes, representan un funcionamiento dinámico similar de la turbomáquina, entonces las variables adimensionales (ignorando los efectos del número de Reynolds) tendrán los mismos valores.

Figura 1. Características adimensionales de la altura-volumen de la bomba centrífuga

Coeficiente de carga

Eficiencia

Coeficiente de potencia

Dónde,

${\displaystyle N}$es la velocidad de rotación.

${\displaystyle Q}$es el caudal.

${\displaystyle D}$es el diámetro del impulsor.

Por lo tanto, la representación adimensional es muy ventajosa para converger a una única curva de rendimiento que, de lo contrario, daría lugar a múltiples curvas si se trazara dimensionalmente. La figura 1 muestra las características de la altura ^[1] de la bomba centrífuga frente al coeficiente de flujo. Dentro del rango de funcionamiento normal de esta bomba, 0,03 < Q/(ND ³ ) < 0,06 , las curvas características de la altura coinciden aproximadamente para diferentes valores de velocidad (2500 < N < 5000 rev/min) y aparece poca dispersión, lo que puede deberse al efecto del número de Reynolds. Para un coeficiente de flujo menor, Q/(ND ³ ) < 0,025 , el flujo se volvió inestable pero aún aparecen condiciones dinámicamente similares, es decir, las curvas características de la altura aún coinciden para diferentes valores de velocidad. Pero a altas velocidades de flujo se observan desviaciones de la curva única para valores de velocidad más altos. Este efecto se debe a la cavitación ^[2] , un fenómeno de alta velocidad de las máquinas hidráulicas causado por la liberación de burbujas de vapor a bajas presiones. Por lo tanto, durante condiciones de funcionamiento fuera de diseño, es decir, Q/(ND ³ ) < 0,03 y Q/(ND ³ ) > 0,06 , el flujo se vuelve inestable y se producen cavitaciones. Por lo tanto, para evitar la cavitación y aumentar la eficiencia a altos caudales, recurrimos a la turbomáquina de geometría variable.

Turbomáquina de geometría fija

Las máquinas de geometría fija están diseñadas para funcionar en condiciones de máxima eficiencia. La eficiencia de una máquina de geometría fija depende del coeficiente de flujo y del número de Reynolds . Para un número de Reynolds constante, a medida que aumenta el coeficiente de flujo, la eficiencia también aumenta, alcanza un valor máximo y luego disminuye. Por lo tanto, el funcionamiento fuera de diseño es completamente ineficiente y puede provocar cavitación a caudales más altos.

Turbomáquina de geometría variable[1]

Una turbomáquina de geometría variable utiliza álabes móviles para regular el caudal. Los ángulos de los álabes se varían mediante levas accionadas por un servomotor ( actuador ). En grandes instalaciones que involucran muchos miles de kilovatios y donde las condiciones de operación fluctúan, se incorporan sofisticados sistemas de control. De esta manera, la turbomáquina de geometría variable ofrece una mejor adaptación de la eficiencia a las condiciones de caudal cambiantes.

La figura 2 describe la envolvente de eficiencia óptima ^[1] para una turbomáquina de geometría variable. En la figura, cada una de las curvas representa diferentes máquinas de geometría fija. La eficiencia de la turbomáquina de geometría variable intersecta el punto de máxima eficiencia para cada una de las curvas . ${\displaystyle (a,b\,and\,c)}$ ${\displaystyle (a,b\,and\,c)}$

Como los ángulos de los álabes son variables en la turbomáquina de geometría variable, introducimos una variable adicional en las ecuaciones 1 y 2 para representar la configuración de los álabes. Podemos escribir: ${\displaystyle \beta }$

Figura 2. Diferentes curvas de eficiencia para una máquina dada obtenidas con diferentes configuraciones de cuchillas.

${\displaystyle \psi \ =f_{4}(\phi ,\beta ),\,}$

${\displaystyle \eta \ =f_{5}(\phi ,\beta ),\,}$

Donde, coeficiente de flujo, ${\displaystyle \phi \ =\!\left({Q \over {ND^{3}}}\right).\,}$

Alternativamente, con

${\displaystyle \beta \ =f_{6}(\psi ,\phi ),\,}$

${\displaystyle \beta \ =f_{7}(\eta ,\phi ),\,}$

${\displaystyle \beta }$se puede eliminar para dar una nueva dependencia funcional:

${\displaystyle \eta \ =f_{8}(\phi ,\psi )=f_{8}\!\left({Q \over {ND^{3}}},{gH \over {N^{2}D^{2}}}\right).\,}$^[3]

Por lo tanto, la eficiencia de una bomba de geometría variable es una función tanto del coeficiente de flujo como del coeficiente de transferencia de energía.

Aplicaciones

La tecnología de turbomáquina de geometría variable se utiliza en turbocompresores de motores diésel, donde el turbo tiene álabes variables que controlan el flujo de escape sobre los álabes de la turbina. Un turbocompresor de geometría variable ^[4] tiene álabes móviles que dirigen el flujo de escape sobre los álabes de la turbina. Se utilizan actuadores para ajustar los ángulos de los álabes. El ángulo de los álabes varía en todo el rango de RPM para optimizar el comportamiento de la turbina. A alta velocidad del motor, los álabes están completamente abiertos y el escape se dirige completamente hacia los álabes de la turbina. A bajas velocidades del motor, los álabes están casi cerrados, creando un paso estrecho para el escape. Esto acelera el escape hacia los álabes de la turbina, lo que hace que giren más rápido.

Figura 3. Diferentes configuraciones de paletas

Véase también

• Supercargador .
• Turbocompresor de geometría variable .

Referencias

1. Dixon, SL, Mecánica de fluidos y termodinámica de turbomáquinas, 5.ª ed. Elsevier, 2011.
2. SM Yahya, Turbinas, compresores y ventiladores, 4.ª ed. McGraw, 2011
3. Shapiro, AH, Soderberg, CR, Stenning, AH, Taylor, ES y Horlock, JH (1957). Notas sobre turbomáquinas. Departamento de Ingeniería Mecánica, Instituto Tecnológico de Massachusetts.
4. Shepher, DG, Principios de turbomaquinaria, Novena impresión, Macmillan, 1969.

Enlaces externos

• "El lugar más confiable para responder las preguntas de la vida". Respuestas. 2017-01-24 . Consultado el 2017-03-10 .
• Tan, Paul. "¿Cómo funciona la geometría variable de la turbina?". Paultan.org . Consultado el 10 de marzo de 2017 .