Principios fundamentales de las máquinas turbo
Los principios fundamentales de las máquinas turbo son herramientas de diseño preliminar al diseñar una máquina turbo, ya sea una turbina axial, una máquina centrífuga o una rueda Pelton. Con estos principios fundamentales, se puede predecir el rendimiento de todas estas máquinas. Para desarrollar los principios fundamentales de las máquinas turbo, se considera el flujo de fluido a través de un canal.
La velocidad de entrada (v1) se transforma en velocidad de salida (v2). La velocidad del fluido se puede dividir en componentes tangenciales y radiales para permitir el flujo del fluido. Para lograr esto, debe haber un par externo actuando sobre el fluido. Este par se puede obtener de la segunda ley de Newton del movimiento, que actúa como la ecuación fundamental de las máquinas turbo. El par se calcula mediante la ecuación de la máquina turbo de Euler, que es la ecuación más importante en las máquinas turbo.
Si el canal está girando a una velocidad angular (omega), la potencia requerida para mantener el flujo del fluido será el par multiplicado por la velocidad angular (omega) y el radio (R) del canal se convierte en la velocidad del canal o velocidad de la pala. Entonces, la potencia requerida para este movimiento del fluido se puede expresar como la diferencia en el producto de la velocidad de la pala y la velocidad tangencial del fluido (v theta).
Si dividimos la potencia por el peso del fluido que fluye, obtendremos la carga de energía necesaria para mantener este flujo. Si la potencia requerida por el fluido es positiva, significa que el fluido está absorbiendo energía o que el dispositivo actúa como un compresor. De lo contrario, el fluido está perdiendo energía y el dispositivo actúa como una turbina.
La velocidad tangencial (v theta) significa más precisamente el componente de la velocidad del fluido que es paralelo a la velocidad de la pala. Pero la determinación de la velocidad del fluido es un asunto complicado en las máquinas turbo, ya que estamos tratando con componentes que giran. Para este propósito, debemos comprender el concepto de triángulos de velocidad. La idea clave en las máquinas turbo es el concepto de velocidad relativa.
Supongamos que estás parado en esta máquina turbo giratoria. La velocidad del fluido que experimentas al moverte con ella se llama velocidad relativa. Si el fluido tiene una velocidad absoluta (v) y la pala se mueve con una velocidad (u), entonces la velocidad relativa experimentada por ti será (v – u). Para un dispositivo estacionario, sabemos que el flujo debe ser tangencial a la pala para tener un funcionamiento suave. Del mismo modo, en un dispositivo móvil, la velocidad relativa debe ser tangencial al perfil de la pala.
Puedes reorganizar esta ecuación y decir que (u + w) es la velocidad absoluta del fluido. Se puede construir un triángulo de velocidad similar en la entrada de la máquina turbo. Lo interesante de las máquinas turbo es que, utilizando un análisis relativamente simple de las velocidades de entrada y salida, se puede predecir el rendimiento de cualquier máquina triple. Veremos cómo predecir el rendimiento de una bomba centrífuga utilizando los conceptos que hemos desarrollado aquí.
Hemos mostrado el impulsor de una bomba centrífuga. Si conoces la geometría de la pala, puedes calcular el ángulo de la pala en la entrada y salida. El ángulo de la pala se define como el ángulo opuesto a la velocidad de la pala. Por lo tanto, podemos determinar el componente radial de la velocidad de flujo que determina la cantidad de flujo volumétrico que sale del impulsor. Entonces se puede determinar (vr) en la salida utilizando esta ecuación. La construcción del triángulo de velocidad es sencilla, puedes trazar líneas paralelas a estos componentes de velocidad.
La velocidad absoluta del flujo se puede trazar de la siguiente manera. A partir de esto, podemos obtener el componente tangencial de la velocidad de flujo en la entrada de la bomba centrífuga. La velocidad de flujo será radial, por lo que el componente tangencial de la velocidad es cero.
Por lo tanto, la carga de energía desarrollada por la bomba se simplifica de esta manera. El ángulo de la pala se puede obtener fácilmente utilizando estas dos ecuaciones. Finalmente, obtenemos la ecuación de rendimiento más importante de la bomba centrífuga, cómo varía la carga de energía con el caudal. Podemos predecir el rendimiento de un dispositivo de flujo axial y una rueda Pelton utilizando los mismos conceptos que desarrollamos antes.
