La historia de las álabes de las turbinas - Parte II
La semana pasada, en nuestra columna ALL ABOUT BLADES, analizamos la historia de las palas de las turbinas. Esta semana nos centraremos en qué es una turbina, cómo funciona y qué la hace diferente.
Una turbina es una máquina para la generación continua de energía en la que una rueda o rotor, normalmente con palas, se hace girar por una corriente rápida de agua, vapor, gas, viento u otro fluido. Algunos ejemplos son la presa Hoover o las poderosas cataratas del Niágara, donde el agua fluye a través de turbinas que giran bajo la presión del agua que cae, generando casi 4,9 millones de kilovatios que alimentan a 3,8 millones de hogares. ¿Sabía que en Alemania hay 7.254 centrales hidroeléctricas hasta 2020? O piense en los famosos y antiguos molinos de viento de Holanda, precursores de los actuales aerogeneradores, que son una fuente de energía renovable eficaz y barata para generar electricidad.
En ingeniería mecánica, las turbomáquinas son máquinas que transfieren energía entre un rotor y un fluido o vapor. Esto incluye tanto las turbinas como los compresores, que se utilizan a menudo en la industria del automóvil (turbocompresores), en el sector aeroespacial (turbinas de avión), en el sector energético (turbinas de gas y vapor) y en la industria (compresores).
Las turbinas pueden dividirse según la dirección del flujo. Las tres áreas principales son la radial, la diagonal y la axial, y el medio de flujo determina de qué tipo de turbina se trata. Los cuatro tipos principales son el vapor, el gas, el agua y el viento. Todas las turbinas son importantes y desempeñan un papel fundamental en la industria, pero sólo nos centraremos en las de vapor y gas, lo que nos lleva a analizar la dirección del flujo axial y radial.
¿Cuál es la diferencia entre las turbinas axiales y las radiales? En una turbina radial, el flujo se orienta uniformemente de forma perpendicular al eje de rotación y acciona la turbina del mismo modo que el agua acciona un molino de agua. El resultado es una menor tensión mecánica (y menos tensión térmica en el caso de los fluidos de trabajo calientes), lo que permite que una turbina radial sea más sencilla, más robusta y más eficiente (en un rango de potencia similar) en comparación con las turbinas axiales. En la turbina axial, el fluido de trabajo fluye en paralelo al eje del compresor axial y convierte el flujo del fluido en energía mecánica de rotación.
Todas las turbinas son importantes, pero es el complejo perfil de la turbina de chorro el que medimos con más frecuencia.
#allaboutblades trata esencialmente de los álabes de las turbinas y, por tanto, queremos centrarnos en las turbomáquinas axiales. Las turbinas y compresores axiales constan de varias etapas. Las etapas son la combinación de un par de palas giratorias y fijas (paletas). Las palas están conectadas al rotor, los álabes a la fundición. La función principal de las palas es asegurar la transferencia de energía entre el gas y el rotor. Los álabes, por su parte, preparan el gas para su entrada en el siguiente conjunto de álabes giratorios y redirigen el flujo de gas que pasa del anterior conjunto de álabes al siguiente. El resultado es un flujo guiado de aire comprimido, vapor energético o gas de escape a través de la turbina/compresor para transferir la máxima cantidad de energía.
Las turbinas axiales y los compresores son tipos diferentes de turbomaquinaria con los mismos principios básicos, sólo que a la inversa. Las turbinas se alimentan con gas rico en energía que fluye a través de la turbina. Etapa por etapa, transfiere su energía a las cuchillas. El gas que fluye se expande y, por lo tanto, los álabes y las paletas aumentan de tamaño a lo largo de la trayectoria del flujo axial del gas. Al final, toda la energía se transfiere a las palas y, por lo tanto, al rotor para impulsar finalmente otra máquina. En la generación de energía en las centrales eléctricas, la turbina está conectada a un generador para producir electricidad.
Un compresor funciona de manera opuesta y es accionado por un motor. El aire es aspirado por las aspas giratorias y forzado por el compresor. Cada juego de palas/válvulas es ligeramente más pequeño, lo que proporciona al aire más energía y compresión.
Las turbinas de los aviones tienen un compresor y una turbina, y entre ellos está la cámara de combustión. El aire se introduce en la turbina, se comprime y se mezcla con el combustible para que se produzca la combustión, lo que da lugar al empuje. Además, una turbina en el flujo de gases de escape es activada por el flujo de gases de escape. El rodete de la turbina está conectado al compresor y, por tanto, actúa como un motor de conexión mecánica al compresor, impulsándolo. Sin embargo, la energía principal de los gases de escape calientes se utiliza para generar empuje aumentando su velocidad a través de la tobera.
Este principio básico también se encuentra en los motores turborreactores, los tipos más sencillos de turbinas de gas para aviones.
La turbina de gas turbofán es el tipo de motor de turbina más utilizado en los aviones de hoy en día. El principio básico es el mismo, pero los componentes son más complejos. Además, hay un ventilador y un sistema de derivación para aumentar aún más la eficiencia y la estabilidad de la turbina.
Los motores de turboeje se utilizan ampliamente en aplicaciones que requieren una alta potencia sostenida, una gran fiabilidad, un tamaño reducido y un peso ligero. Tienen esta aplicación en helicópteros, unidades de potencia auxiliares, barcos y buques, tanques, aerodeslizadores y equipos estacionarios.
La pala y la veleta tienen funciones diferentes, pero tienen elementos geométricos similares. El aspa redirige la trayectoria del flujo, mientras que el álabe transfiere la energía entre el gas y el rotor. Las palas tienen que funcionar a altas velocidades y temperaturas, mientras que los álabes guían el flujo impulsado por las palas giratorias hacia la siguiente etapa de la turbina con una eficiencia óptima. Tanto las palas como los álabes guía deben ser resistentes a la oxidación, la corrosión y el desgaste y tener una larga vida útil.
Este es uno de los aspectos más importantes que las empresas tienen en cuenta a la hora de mejorar las álabes para aumentar su rendimiento y alargar su vida útil.
La estructura y la función del cubo constan de tres aspectos:
1) La raíz se utiliza para sujetar la pala al rotor o a la carcasa. Dependiendo de la carga mecánica, la precisión de fijación requerida y los costes de fabricación, las raíces pueden variar. En el futuro trataremos este tema con más detalle.
2) La pala, con una forma funcional que garantiza una interacción adecuada con el flujo de gas, está diseñada para desviar la trayectoria del flujo mientras la pala transfiere energía entre el gas y el rotor. El perfil aerodinámico hace la transición hacia la raíz y la cubierta mediante un radio de transición y una superficie de plataforma curvada. El perfil aerodinámico consta de un lado de presión y otro de aspiración con un borde de ataque y otro de salida, que formarán parte de nuestro blog detallado.
3) La cubierta es opcional y depende de la aplicación de la turbina. Las palas con revestimiento se utilizan para controlar y minimizar las corrientes de fuga entre las puntas de las palas y los álabes, así como para limitar las amplitudes de las vibraciones y garantizar la creación de un anillo exterior estable.
WENZEL MEDIDAS #MÁSPARTESMÁSRÁPIDAS
En la fabricación de álabes hay una gran variedad de formas, dimensiones y requisitos para cualquier aplicación deseada. Los perfiles están diseñados para maximizar el rendimiento requerido. Independientemente del tamaño, la superficie o el plazo de entrega, no hay limitaciones para CORE. El sistema de escaneado óptico de alta velocidad está diseñado para las duras condiciones de un entorno de producción directa. El CORE M se caracteriza por su estabilidad térmica y su resistencia a la suciedad y a las vibraciones. Los accionamientos lineales altamente dinámicos y la robusta máquina base del sistema de medición de 6 ejes permiten realizar mediciones a gran velocidad.
El innovador detector óptico de proximidad de alta intensidad de WENZEL garantiza una rápida detección de puntos, incluso en componentes de difícil acceso y superficies altamente reflectantes, sin necesidad de reposicionar el componente ni de tratar previamente las superficies.
La CORE M tiene un volumen de medición de 500 mm x 500 mm x 2.500 mm, lo que la hace ideal para medir componentes de gran tamaño. Dentro de la carcasa de la máquina hay un sistema de contrapesos dinámicos que contrarrestan las fuerzas generadas por el movimiento a alta velocidad del escáner, por lo que no se pierde precisión incluso a velocidades de medición extraordinariamente altas. El completo paquete de software de WENZEL permite realizar evaluaciones sencillas y rápidas de las palas con el software de análisis de palas WM | Blade Analyzer, desarrollado en colaboración con socios del sector.
Como ya habrá notado, nos encanta medir las palas de las turbinas con su color gris plomo y su diseño elegante. Estas pequeñas piezas tienen un impacto significativo que nos permite viajar por el mundo, construir nuestras economías y proteger nuestros países y a nuestros seres queridos, todas ellas buenas razones para hacerlo. Le animo a que disfrute de un relajante crucero por el río en un antiguo barco de vapor, a que se maraville con el tamaño de las grandes turbinas eólicas, a que visite las cataratas del Niágara y a que piense en lo lejos que hemos llegado a lo largo de los siglos. Recuerde que la medición ha mejorado y que la tecnología ha evolucionado.
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