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Turbomquina 1
Turbomquina
Ventilador de escritorio Westinghouse antiguo,fcilmente se puede
identificar que es una
turbomquina, obsrvese que intercambia energacon el aire que
impulsa y que su parte principal es
una rueda con palas.
Esquema de un "turbofn", un motor que combina diversos tipos de
turbomquinastrmicas.
Una turbomquina es una mquinacuyo elemento principal es un
rodete(rotor) a travs del cual pasa un fluidode forma continua,
cambiando ste sucantidad de movimiento por accin dela mquina,
dndose as unatransferencia de energa entre lamquina y el fluido, la
cual puede seren sentido mquina-fluido ofluido-mquina.
Las turbomquinas se diferencian deotras mquinas trmicas en el
hecho deque funcionan de manera continua y nodiscreta, como es el
caso de loscompresores de mbolo, las bombas devapor a pistn o los
populares motoresde pistn, las cuales son mquinas dedesplazamiento
volumtrico o positivo.A semejanza de otras mquinastrmicas, son
transformadoras deenerga, lo cual es una caractersticafundamental,
entregndole energamecnica al fluido de trabajoconvirtindola en
presin (energapotencial), energa trmica o energacintica del fluido,
pudiendo ser esteintercambio en sentido contrario.
Bajo muchas formas las turbomquinasestn presentes en nuestra
vidacotidiana, desde los sencillosventiladores y las bombas
centrfugas que son de uso comn, hasta las grandes turbinas
hidrulicas de las centraleshidroelctricas y las turbinas de vapor o
a gas de las centrales trmicas son turbomquinas. Es importante
destacarque las turbomquinas son fundamentales en la conversin
electromecnica de energa, es decir, la generacinelctrica. Es este
hecho el cual convierte a las turbomquinas en un objeto de gran
importancia dentro de laingeniera mecnica, la cual dedica mucho a
su estudio y proyeccin, e igualmente, pero en menor medida,
laingeniera civil.
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Turbomquina 2
ClasificacinLas turbomquinas pueden clasificarse de acuerdo a
varios criterios como funcionamiento, composicin o sentido deflujo
de la energa.
De acuerdo con el sentido del flujo de energa Generadoras: la
energa es entregada por el fluido a la mquina, y esta entrega
trabajo mecnico. La mayora de
las turbomquinas motoras son llamadas "turbinas", pero dentro de
este gnero tambin entran los molinos deviento. Posteriormente la
energa mecnica puede ser transformada en otro tipo de energa, como
la energaelctrica en el caso de las turbinas elctricas.
Motoras: la energa es entregada por la mquina al fluido, y el
trabajo se obtiene de este. En este gnero entranlas bombas,
sopladores, turbocompresores, ventiladores, y otros.
De acuerdo con la forma que presenta el fluido proyectado a
travs del rotor
Turbina Pelton, sta es una turbomquinatransversal de admisin
parcial.
Radial: Si la trayectoria que sigue el fluido es
principalmentenormal al eje de rotacin (centrfugas o centrpetas
segn ladireccin de movimiento).
Axial: Cuando la trayectoria del fluido es
fundamentalmenteparalelo al eje de rotacin.
Diagonal: Flujo diagonal al eje de rotacin.
De acuerdo con el tipo de fluido que manejan
Trmicas: Cuando el cambio en la densidad del fluido
essignificativo dentro de la mquina, como en compresores.
Hidrulicas: Cuando el cambio en la densidad del fluido no
essignificativo dentro de la mquina, como en bombas o
ventiladores.
De acuerdo con el cambio de presin en el rotor
Accin: no existe un cambio de presin en el paso del fluido por
elrotor.
Reaccin: existe un cambio de presin en el paso del fluido por el
rotor.
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Turbomquina 3
De acuerdo con el tipo de admisin Total: todo el rotor es tocado
por el fluido de trabajo. Parcial: no todo el rotor es tocado por
el fluido de trabajo.
Partes de una turbomquina
Una turbina Kaplan, sta es una turbomquina motora hidrulica de
fujo axial. Vase enrojo las partes rotativas entre las que se
encuentra un Generador elctrico en este caso.
Una turbomquina consta de diversaspartes y accesorios
dependiendo de sutipo, aplicacin y diseo. Por ejemploun ventilador
puede ser unaturbomquina que slo conste de unrbol, motor, rotor y
soporte, mientrasque un compresor centrfugo o unabomba semi-axial
puede tener muchaspartes que incluso no comparta con lasdems
turbomquinas existentes. Sinembargo, la mayora de lasturbomquinas
comparten el hecho detener partes estticas y rotativas; ydentro de
estos conjuntos puede haberdiversos elementos los cuales
muchasturbomquinas comparten y unaenumeracin competente puede ser
lasiguiente:
Partes rotativas
Rodete
El Rodete es el corazn de toda turbomquina y el lugar donde
aviene el intercambio energtico con el fluido. Sesuelen emplear los
ndices 1 y 2 para establecer la entrada y salida del rodete. Est
constituido por un disco quefunciona como soporte a palas, tambin
llamadas labes, o cucharas en el caso de las turbinas Pelton. La
geometracon la cual se realizan los labes es fundamental para
permitir el intercambio energtico con el fluido; sobre stasreposa
parte importante del rendimiento global de toda la turbomquina y el
tipo de cambio energtico generado (sila energa ser transferida por
cambio de presin o velocidad). Los tipos de rotores pueden ser
axiales, radiales,mixtos o tangenciales, para su fcil identificacin
y distincin se hace uso de representaciones por
proyeccinespecficas.
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Turbomquina 4
Rotor radial. Rotor axial.
Eje o rbol
Tiene la doble funcin de trasmitir potencia (desde o hacia el
rotor) y ser el soporte sobre el que yace el rotor. En elcaso de
las turbomquinas motoras ste siempre est conectado a alguna clase
de motor, como puede ser un motorelctrico, o incluso una turbina
como es comn en los turborreactores, muchas veces entre el rbol y
el motor quemueve a la turbomquina se encuentra algn sistema de
transmisin mecnica, como puede ser un embrague o unacaja reductora.
En el caso de las turbomquinas generadoras, es frecuente encontrar
un generador elctrico al otroextremo del rbol, o incluso hay rboles
largos que soportan al rotor en el medio y en un extremo se
encuentra unaturbomquina generadora y al otro un generador.
Partes estticasAl conjunto de todas las partes estticas de la
turbomquina (y en otras mquinas tambin) se le suele
denominarestator.
Entradas y Salidas
Estas partes son comunes en todas las turbomquinas, pero pueden
variar de forma y geometra entre todas. Existenturbomquinas
generadoras de doble admisin, es decir, que tienen dos entradas
diferenciadas y una salida nica defluido. Estas partes pueden
constar de una brida en el caso de la mayora de las bombas y
compresores, pero en lasturbinas hidrulicas grandes, slo son
grandes tuberas y la salida muchas veces tiene forma de difusor. En
losmolinos de viento, por ejemplo, la entrada y la salida slo
pueden ser superficies imaginarias antes y despus delrotor. El
distribuidor, es el rgano cuya misin es conducir el fluido desde la
seccin de entrada hacia el rodete. Sesuelen utilizar los ndices 0 y
1 para desisgnar las magnitudes a la entrada del distribuidor y a
la salida (entrada en elrodete). Por otro lado, el difusor es un
elemento que se encuentra a la salida del rodete y que disminuye la
velocidaddel fluido, adems de acondicionar hidralicamente el fluido
para su conduccin.
labes directores
Tambin llamados palas directoras, son labes fijos al estator,
por los cuales pasa el fluido de trabajo antes o despusde pasar al
rotor a realizar el intercambio energtico. Muchas turbomquinas
carecen de ellos, pero en aquellasdonde si figuran stos son de
vital importancia. En las turbomquinas motoras se encargan de
dirigir el fluido en uncierto ngulo, as como acelerarlo para
optimizar el funcionamiento de la mquina. En las
turbomquinasgeneradoras se encuentran a la salida del rotor. Los
labes directores tambin pueden llegar a funcionar comoreguladores
de flujo, abrindose o cerrndose a manera de vlvula para regular el
caudal que entra a la mquina.
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Turbomquina 5
Cojinetes, rodamientos o rolineras
Son elementos de mquina que permiten el movimiento del eje
mientras lo mantienen solidario a la mquina, puedenvariar de tipos
y tamaos entre todas las turbomquinas.
Sellos
Son dispositivos que impiden la salida del fluido de la
turbomquina. Cumplen una funcin crtica principalmente enlos
acoplamientos mviles como en los rodamientos. Pueden variar de
tipos y ubicacin dentro una turbomquina aotra.
Intercambio de energa entre el fluido y la turbomquinaCuando el
fluido de trabajo pasa a travs de la turbomquina la naturaleza del
intercambio de energa es muycompleja debido a la cantidad de
procesos termodinmicos irreversibles que ocurren, adems de la
naturalezacomplicada y muchas veces catica del movimiento del
fluido en el seno del rotor. Para obtener una primeraconsideracin
de este intercambio energtico se deben hacer consideraciones
tericas sobre la naturaleza del fluido ysu comportamiento a travs
del rotor, esto con la finalidad de simplificar el modelado
matemtico del fluido en supaso por el rotor. El fluido que pasa por
el rotor es un fluido potencial. Todas las lneas de corriente
tienen la misma forma que cada uno de los labes o paletas del
rotor, esto sera
equivalente a decir que el rotor tiene un "infinito" nmero de
labes. Las caractersticas del rgimen de flujo no varan en el
tiempo, es decir, el flujo se encuentra completamente
desarrollado, o en otras palabras, nos encontramos en rgimen
permanente.Una vez declaradas estas simplificaciones podemos aludir
a las leyes de conservacin de la mecnica y a la ecuacinde
transporte de Reynolds de manera sencilla; pero dependiendo de la
trayectoria del flujo de fluido a travs del rotorlas formulaciones
sern distintas.
Tringulo de velocidadesEn el lenguaje de las turbomquinas se
habla de tringulo de velocidades para referirse al tringulo formado
portres vectores los cuales son:
Tringulo de velocidades.
La velocidad absoluta del fluido La velocidad relativa del
fluido respecto al rotor La velocidad lineal del rotor Estos tres
vectores forman un tringulo ya que la suma enun mismo punto es
igual a en ese punto por leyes delmovimiento relativo.El ngulo
entre los vectores y es denotado y el nguloentre los vectores y es
denotado . Esta nomenclatura serutilizada a travs de todo este
artculo y es norma DIN 1331.
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Turbomquina 6
Turbomquinas Generadoras
Turbomquinas radiales
Cinemtica de una turbomquina radialgeneradora.
Conservacin de la cantidad de movimiento lineal:Las fuerzas que
actan sobre el volumen de control son debidas a laspresiones en la
entrada y en la salida del rotor, si stas se consideraniguales en
toda la salida e iguales en toda la entrada, entonces lasfuerzas
lineales quedan anuladas por cuestin de simetra. Conservacin de la
cantidad de movimiento angular:En este caso se define la propiedad
extensiva momento angular como
, y su anloga propiedad intensiva ser ,
donde es el campo vectorial de velocidades y un radio
vectordesde la referencia hasta cada diferencial de masa .
La ecuacin de transporte de reynolds relaciona el cambio de
momento angular en el tiempo, que por leyes de lamecnica es igual a
la suma de momentos aplicados, con su anloga propiedad intensiva
que definimos arriba de lasiguiente manera:
Como se supone que la situacin es de flujo estable, ningn trmino
depende del tiempo, por lo cual el primersumando del lado derecho
de la ecuacin se hace cero. El siguiente sumando es una integral
que se evala en toda lasuperficie de control y se supondr que el
rotor es de una turbomquina generadora:
el vector puede escribirse en coordenadas cilndricas como lo que
permite llegar a lasiguiente expresin:
Por las suposiciones anteriores se puede considerar a la
velocidad independiente de y de ya que todas laslneas de corriente
son iguales; esto permite evaluar estas integrales as:
Donde es el grueso del rotor. Como el rgimen es estable se
cumple que la misma masa que entra sale, es decir. Esta integral
representa el producto de la densidad del fluido por el rea en la
que
evaluamos la integral por la componente de la velocidad normal a
esta rea, por lo tanto si es el flujo msico quecircula a travs del
rotor se puede escribir:
Donde es la totalidad de los momentos aplicados sobre el volumen
de control, y se resumen en el torqueaplicado por el rotor para
mantener el flujo de fluido. Para obtener datos energticos en vez
de mecnicos recurrimosa la definicin de potencia , donde es la
velocidad angular y podemos reescribir la anterior relacinmecnica
como una relacin energtica:
Esta ecuacin es conocida como la ecuacin general de las
turbomquinas y fue hallada por Euler en 1754.
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Turbomquina 7
Turbomquinas axiales
En la formulacin euleriana de las turbomquinas axiales se
supone, adems de las simplificaciones tericasdeclaradas ms arriba,
que la altura de las palas es muy pequea en relacin al dimetro del
rotor. Esta suposicinimplica necesariamente que la diferencia de la
velocidad perifrica a lo largo de las palas es muy pequea,
asharemos un anlisis del intercambio de cantidad de movimiento de
una proyeccin cilndrica imponiendo que lavelocidad perifrica es la
misma a lo largo de cada uno de los labes.
Tringulos de velocidades.
En vez de utilizar la ecuacin detransporte de reynolds, que
seracompletamente vlida y concluiraexactamente lo mismo, haremos
unanlisis de fuerzas ms sencillo paradar otra perspectiva al
lector. A efectosdel intercambio de energa con el rotor,el cambio
de cantidad de movimientoen direccin de
es el quedeterminan la fuerza tangenciales(
) sobre la periferia del rotor(vase figura anexa), es decir:
Para determinar la potenciasuministrada por la mquina al
fluido(recurdese que estamos hablando de turbomquinas motoras),
multiplicamos a ambos lados por el radio del rotor y por la
velocidad angular del mismo , de esta forma, en el lado derecho de
la igualdad anterior se tendr lavelocidad perifrica:
Turbomquinas MotorasEl desarrollo hecho arriba para determinar
la transferencia de energa fue hecho, como ya dijimos,
paraturbomquinas motoras, es decir, la energa del fluido de trabajo
aumenta luego de pasar por el rotor de laturbomquina. Para el caso
de turbomquinas generadoras, en las cuales el fluido de trabajo le
cede energa a lamquina stas ecuaciones siguen siendo vlidas, pero
el signo de la potencia ser negativo. Para evitar esto, escostumbre
en el estudio y prctica de las turbomquinas cambiar el signo de la
ecuacin invirtiendo los trminosalgebraicos de lado derecho de la
igualdad de Euler: Turbomquinas generadoras radiales:
Turbomquinas generadoras axiales:
En todo caso, para turbomquinas motoras y generadoras, se puede
observar que la ecuacin para las turbomquinasradiales es
completamente general.
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Turbomquina 8
Consecuencias de la ecuacin general de las turbomquinasDe esta
ecuacin fundamental se desprenden muchas interpretaciones del
fenmeno de intercambio energtico que sedesarrolla en el rotor, el
cual hemos evidenciado estar determinado por la cinemtica del
fluido en el rodete. Deahora en adelante, en este pargrafo nos
referiremos a turbomquinas generadoras y dejamos al lector
laextrapolacin de los conceptos a las turbomquinas motoras.
En primer lugar, el concepto de tringulo de velocidades
enunciado ms arriba, permite reescribir la ecuacin deEuler:
Donde se conoce como labor o trabajo por unidad de masa que pasa
al fluido, tambin conocido como trabajoespecfico. Luego, si
aplicamos el teorema del coseno al triangulo de velocidades
obtendremos la siguienteexpresin.
Si sustituimos en la ecuacin general obtendremos una expresin
del trabajo especfico nicamente en funcin de loscambios de
velocidades al cuadrado, es decir formas de energa cintica:
Turborreactor Rolls Royce, donde puede observarse la admisin de
aire a la izquierda y elfluido que sale por los extremos del rotor
hacia la cmara de combustin.
De los tres trminos de esta ecuacin,el primero es conocido
comocomponente dinmico, y es el cambiode energa cintica especfica
sufridopor el fluido en el rotor. Los otros dostrminos restantes
reciben el nombrede componente esttico, y paraencontrar su
significado se necesitarecurrir a un balance entre la energadel
fluido y el trabajo entregado por elrotor:
En el cambio de energa del fluido no aparece la energa potencial
gravitatoria: efectivamente, los cambios de cota enel rodete son
nfimos en comparacin con los dems cambios energticos, por lo cual
este trmino se desprecia.Adems, esta ecuacin es independiente del
tipo de fluido que pasa por la turbomquina, si ste fuese
incompresibleel cambio entlpico sera igual al cambio de presin
nicamente.
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Turbomquina 9
La expresin anterior revela, que la componente esttica de la
energa suministrada al fluido por la turbomquina, esequivalente al
cambio entlpico del fluido en su paso por el rotor, y este cambio
entlpico es proporcional a uncambio de presin. Es decir, existen
dos formas fundamentales en que una turbomquina puede entregar
energa aun fluido, en forma de energa cintica y en forma de presin.
Es importantsimo notar que todo cambio de presinimplica un cambio
de entalpa.
Consideraciones posteriores sobre esta frmula arrojan pistas
sobre qu forma debe tener la corriente de fluido en elrotor para
maximizar el trabajo euleriano que se entrega al fluido, y una
obvia es minimizar todos los trminos quetengan un signo menos. De
hecho, casi todas las turbomquinas generadoras radiales son
centrfugas y todas lasturbomquinas motoras radiales son centrpetas,
as la velocidad perifrica de entrada y salida se
minimizacorrespondientemente.
Grado de reaccinLa idea de que la transferencia de energa entre
el fluido y el rodete se realiza bajo forma de energa cintica y
deenerga de flujo (el trmino , o tambin el cambio de presin, lo que
implica un cambio de entalpa) lleva a ladefinicin de grado de
reaccin, que es la fraccin de energa total entregada al fluido que
es dada en forma depresin:
La magnitud fsica presin (fuerza por unidad de rea) no tiene un
significado energtico directo, en cambio sta estntimamente ligada a
la entalpa, la cual si tiene un grandsimo significado energtico.
Por esta razn en el lenguajede las turbomquinas es frecuente hablar
de cambios de presin para referirse a cambios de entalpa o
viceversa. Msan, si la energa interna de un fluido vara poco en su
paso por el rotor, el cambio de entalpa ser proporcional alcambio
de presin, y as es posible escribir otra definicin de grado de
reaccin:
y por las expresiones arriba mencionadas:
Limitaciones de la Teora EulerianaLa descripcin dada arriba del
intercambio energtico dado en el paso del fluido de trabajo por el
seno del rodete dela turbomquina se conoce como teora euleriana.
Esta teora resulta satisfactoria en muchos casos, en los cuales
sonvlidas la suposiciones efectuadas para concluir la ecuacin
fundamental de las turbomquinas. Por otro lado cuandoestas
suposiciones no son verificadas no es posible obtener una
descripcin satisfactoria a partir de la teoraeuleriana, y en cada
caso se deben tomar las medidas competentes para realizar un diseo
correcto.
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Turbomquina 10
labes largos
Tal como ocurre en las etapas de baja presin dentro de las
turbinas de vapor, en muchos casos, las palas de unaturbomquina
axial pueden llegar a sar tan largas que exigen un anlisis
tridimensional completo del intercambio decantidad de
movimiento.
labes muy distanciados entre ellos en relacin al dimetro del
rotor
Si los labes de una turbomquina axial estn muy distanciados, se
pierde el efecto de "canal" que permite lasuposicin de tener un
"nmero infinito de labes", entonces las fuerzas intercambiadas
entre el fluido y el rotordeben ser estudiadas desde la perspectiva
de la teora alar.
Rendimiento de las TurbomquinasEn las turbomquinas el concepto
de rendimiento es de suma importacia. El rendimiento o eficiencia,
puede versecomo la razn existente entre los beneficios que pueden
obtenerse idealmente de una mquina y aquellos que sonobtenidos en
la realidad. En otras palabras el rendimiento total de una
turbomquina se define como la razn entre lapotencia restituida y la
potencia absorbida:
En las turbomquinas motoras la potencia absorbida es toda
aquella entregada por el fluido de trabajo en su paso porla mquina,
y la potencia restituida es aquella que se encuentra en el eje del
rotor. Al contrario ocurre en lasturbomquinas generadoras, ya que
la potencia absorbida se encuentra en el eje del rotor, y la energa
restituida esaquella que es entregada efectivamente al fluido de
trabajo.El discurso sobre el rendimiento utiliza ampliamente los
conceptos de la termodinmica. La primera ley de latermodinmica nos
indica que la potencia restituida jams podr ser mayor a la potencia
absorbida, ya que estoimplicara la creacin espontnea de energa. La
segunda ley de la termodinmica nos dice que la potencia
absorbidasiempre ser mayor que la potencia restituida, ya que la
energa se suministra al fluido en un nmero finito de etapas(es un
proceso irreversible). De esta forma podemos afirmar que
De esta manera, por ejemplo, para que un compresor axial
entregue una cantidad (energa restituida
por la mquina) de energa a un fluido, este deber absorber una
cantidad de energa definitivamentemayor a la entregada
efectivamente al fluido de trabajo. La diferencia entre la energa
absorbida y la energarestituida se conoce con el nombre de
prdidas:
Podemos escribir la misma relacin para la potencia derivando
respecto al tiempo:
La potencia perdida es aquella que resulta invertida en otros
fenmenos distintos a aquellos deseados para los finesde la
turbomquina, que es entregar energa til al fluido. As la potencia
perdida resulta en el calentamiento delfluido, vencer las fuerzas
viscosas dentro del fluido, etc.. Para simplificar el estudio de la
eficiencia o rendimiento seclasifican diversos tipos de
rendimiento, cada uno asociado a un fenmeno distinto de prdida de
energa.
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Turbomquina 11
Estudio adimensional de las turbomquinasMs arriba hemos dado
luces acerca de la complejidad de la dinmica del fluido de trabajo
en su paso por laturbomquina, de hecho las ecuaciones que predicen
el movimiento del fluido son de tal complejidad que an no seconoce
una solucin general, sino soluciones particulares que requieran
grandes simplificaciones, que sin embargoaportan mucha informacin
sobre el verdadero comportamiento del fluido. A su vez, la
construccin comercial deturbomquinas ya haba empezado antes de que
stas ecuaciones se conocieran, o fueran difundidas en la
comunidadcientfica e ingenierstica, por lo cual los constructores
de turbomquinas se vieron obligados en buscar un mtodoprctico de
modelar estas mquinas. Un mtodo obvio es la construccin de modelos,
y la correlacin entre modelosest determinada por la teora de la
similitud y el anlisis dimensional.La naturaleza experimental de la
construccin de mquinas lleva a la construccin de modelos, luego la
correlacinentre los modelos y su equivalente real est determinado
por los modelos tericos ya mencionados, especialmente atravs del
Teorema de Pi-Buckingham.Ms an, Baljie encontr que si dos mquinas
smiles tienen el mismo rendimiento, entonces cada tipo
deturbomquina tiene un lugar "adimensional" de mximo
rendimiento.[1]
Bibliografa MATAIX, Claudio. Turbomquinas Hidrulicas. Editorial
ICAI. DIXON, S. L.. Fluid Mechanics and Thermodynamics of
Turbomachinery. Editorial Butterworth Heinemann. SCIUBBA, Enrico.
Lezioni di Turbomacchine. Editorial Editrice Universitaria di
Roma.
Referencias[1] Chapter 2 - Hydrodynamics of Pumps - Christopher
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chap2. htm).
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Fuentes y contribuyentes del artculo 12
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Rotkraut, 1 ediciones annimasImage:Pompa radial.png Fuente:
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Lozre, Marcelloo, Nimbus227, Petri Krohn, Stahlkocher
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TurbomquinaClasificacin De acuerdo con el sentido del flujo de
energa De acuerdo con la forma que presenta el fluido proyectado a
travs del rotor De acuerdo con el tipo de fluido que manejan De
acuerdo con el cambio de presin en el rotor De acuerdo con el tipo
de admisin
Partes de una turbomquina Partes rotativas RodeteEje o rbol
Partes estticas Entradas y Salidas labes directores Cojinetes,
rodamientos o rolineras Sellos
Intercambio de energa entre el fluido y la turbomquina Tringulo
de velocidades Turbomquinas Generadoras Turbomquinas radiales
Turbomquinas axiales
Turbomquinas Motoras Consecuencias de la ecuacin general de las
turbomquinas Grado de reaccin Limitaciones de la Teora Euleriana
labes largos labes muy distanciados entre ellos en relacin al
dimetro del rotor
Rendimiento de las Turbomquinas Estudio adimensional de las
turbomquinas Bibliografa Referencias
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