Escalonamientos

2.t. lnrroducción

Generalmente las turbomáquinas están constituidas por varios escalonamientos. En este

capítulo se defininá el concepto de rendimiento, tanto a nivel de turbomáquina como de esca-

lonamiento, y se analizará la relación que existe entre los distintos rendimientos.

2.2. Escolonomientos en los turbinqs

La ecuación de la energía para una turbina, constituida por turbinas elementales o esca-

lonamientos (figura 2.1), es:

22

n,+91=w +lr.+9i o2

en donde I y.B representan las secciones de entrada y salida de la máquina, respectivamen-

te. Empleando entalpías de remanso, la ecuación anterior queda de la siguiente forma:

hor: W + frop o bien: W: hou- ho,

El rendimiento se puede definir como la relación entre el trabajo desarrollado por la

máquina real, W, y el trabajo máximo que se podría obtener en una máquina hipotética, cuya

geometría no es necesario definir, que operase entre las condiciones de admisión (presión y

temperatura de remanso) y escape (presión estática) de la máquina real.32 TunsoMÁourNm rÉnmrcm

OS

FTGURA 2.1 . Diogromo h-s de lo evolución del fluido en un escolonomiento de turbino.

Para definir el trabajo máximo que se puede obtener, es necesario saber qué sucede con

la energía cinética cll2 de salida de la máquina.

En general la energía cinética de salida se pierde por fricción a la presión sensiblemen-

te constante del escape. Como en este caso la energía cinética de salida es una pérdida, la

máquina hipotética sin pérdidas, además de ser isentrópica en lo que se refiere a la expan-

sión, tendrá velocidad de salida nula (crr: 0). Por tanto el trabajo específico máximo, o sal-

to isentrópico, de esta máquina (figura 2.2) valdna:

Wn*: hor- h^

Definido el trabajo máximo para el caso de que la energía cinética de salida se pierda

por fricción, el rendimiento correspondiente, denominado total a estático, se expresa como:

-

hon - ho,

,rr, _

hou_hr,

Existen algunos casos especiales, turbina seguida de tobera propulsiva (turborreactor)

por ejemplo, en donde la energía cinética de salida es aprovechada. En estos casos la máqui-

na hipotética sin pérdidas tendría expansión isentrópica, siendo la velocidad de salida la de

la máquina real. Si se ha de ceder en el escape la energía cinética cll2para su posterior apro-

vechamiento, el trabajo máximo que se puede obtener en este caso vale:

2

cB _T W-,i*=hnu-hr, = ho.t - hoa,EsctoNtul¡NTos EN t AS runaoMÁoulNls 33

s

Frcuw,2.2. Diogromo h-s de lo evolución del fluido en uno turbino.

Energío cinético de solido perdido o recuperodo.

Aunque las líneas de presión constante son divergentes se puede suponer, dado el redu-

cido valor relativo de cll2, que la línea de presión constante que pasa por OBs pasa también

por 0B (figura 2.3).

El rendimiento, en el supuesto de que se recupere la velocidad de salida, valdrá por tanto:

-

ho, - hou

'rn -

[, -4*

este rendimiento se denomina total a total.

El rendimiento total a total es mayor que el total a estático, al ser menor su salto isen-

trópico por la recuperación de la velocidad de salida.

El salto puesto a disposición de la máquina, definido por las condiciones de entrada y

salida, se fracciona en una serie de saltos más pequeños. Las turbinas elementales que tra-

bajan con las diferentes fracciones del salto total constituyen los denominados escalona-

mientos, o más concretamente escalonamientos de presión. La turbina elemental o escalo-

namiento estií constituida, generalmente, por una corona fija (toberas o disfibuidores) llamada

estátor y una corona móvil denominada rotor.

De la misma forma que en el conjunto de la máquina, se pueden definir a nivel de esca-

lonamiento los rendimientos total a total y total a estático. En el caso del conjunto de la

máquina el rendimiento total a total se utilizararamente por ser poco frecuente la recupera-

ción de la velocidad de salida; sin embargo en los escalonamientos, cuando el juego intre

los mismos es reducido, caso bastante frecuente, la velocidad de salida se recupera y el cri-

terio de rendimiento que habría que utilizar sería el tot¿l a total.34 TunsoMÁoutNlsrÉnulcls

Cuando el juego existente entre la salida del rotor y la entrada al estátor del escalona-

miento siguiente es elevado, caso más frecuente en los escalonamiehtos de acción que en los

de reaccián, o cuando se trata del último escalonamiento, la velocidad de salida se pierde

por fricción y se deberá utilizar el rendimiento total a estático.

Los dos criterios de rendimiento establecidos se refieren a los dos casos extremos típi-

cos de suponer completamente perdida o recuperada la velocidad de salida. Cabia sin embar-

go la poslbilidad de que ésta se recuperase parcialmente, en cuyo caso el salto isentrópico

áe refirencia para definir el rendimiento sería el que queda definido por las condiciones de

admisión, punto 024, y la presión de remanso correspondiente a las condiciones de entrada

del siguiente escalonamiento, punto 0B (figura 2.3). Esta definición vale, por supuesto, para

los dos casos extremos estudiados anteriormente.

Ftoum 2.3. Diogromo h-s de lo evolución del fluido o trovés de escolonomientos de turbino

con recuperoción porciol de lo velocidod de sol¡do'

para

poder relacionar el rendimiento de la turbina con el de los escalonamientos, se ha

trazado sobre el diagrama h-s de la máquina las presiones intermedias que definen los dis-

tintos escalonamientos (figtra 2.4).

El punto 01 representa el estado de remanso de entrada a un escalonamiento y el punto

03 el de salida y el de entrada al siguiente. Se procede a continuación a identificar los pun-

tos 01 y 03 en los dos escalonamientos siguientes: escalonamiento de acción con presión

constante en el rotor y velocidad de salida perdida (figura 2.5), y escalonamiento de reac-

ción con recuperación de la velocidad de salida (figura 2.6).EsctoNnm¡ruTos EN LAS runeoMÁoutNls

Ftounn 2.4. Diogromo h-s de

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