Apuntes de Clase para Turbomáquinas 67-20

Transcripción

1 Apuntes de Clase para Turbomáquinas Dr. Ing. Eduardo Brizuela UBA, 2003 i

2 BIBLIOGRAFIA Estos apuntes son sólo una guía para estudiar la materia. La correcta comprensión de los temas requiere referencia a la Bibliografía que sigue (códigos P indican ubicación en la Biblioteca de la FIUBA): Abbott, I. And von Doenhoff, A., Theory of wing sections, Dover, 1959 Balje, O., Turbomachines, Wiley, 1981 Cohen, H, and Rogers, G, Gas Turbine Theory, Longmans, 1954, P5313 Csanady, G., Theory of Turbomachines, McGraw Hill, 1964, P13874 Church, E., Turbinas de Vapor, Alsina, 1955, P5375 Church, I., Hydraulic Motors, Wiley, Gannio, P., Apuntes de Turbomáquinas, Centro de Estudiantes, FIUBA Gibson, H., Hydraulics and its applications, Constable, 1957 Hawthorne, W. and Olson, W., Design and Performance of Gas Turbine Power Plants, Princeton, 1960, P7792 Hunsaker, J., and Rightmire, B., Engineering applications of Fluid Mechanics, McGraw Hill, 1947 Keenan, J., Elementary Theory of Gas Turbines and Jet Propulsion, Oxford, 1946, P7008 Kermode, F., Mechanics of flight, Pitman, 1977 Kováts, A., Design and performance of centrifugal and axial flow pumps and compressors, Pergamon, 1964 Lancaster, O., E.; Jet propulsion engines, Princeton, 1959 Lee, J., Theory and Design of Steam and Gas Turbines, McGraw Hill, 1954, P2760 Lucini, M., Turbomáquinas de Vapor y de Gas, Dossat, 1972, P18160 Mallol, E., Turbinas de Combustion, Hachette, 1947, P19731 Martinez de Vedia, R., Teoria de los motores termicos, Vol III, Alsina, 1983 Mattaix, C., Turbomaquinas Termicas, Dossat, P22923 Perry, R. H. and Green, D. W.; Perry s Chemical Engineer s Hanbook, McGraw Hill, 1998 Polo Encinas, M., Turbomáquinas Hidráulicas, Limusa, 1976, P19016 Pratt & Whitney Aircraft Group, The aircraft gas turbine and its operation, Shepherd, D, Principles of Turbomachinery, Macmillan, Shield, C. D.; Calderas, P17147 Smith, C., Aircraft Gas Turbines, Wiley, 1956, P4941 Smith, G., Gas turbines and jet propulsion for aircraft, Flight, 1947 Stevenazzi, D., Maquinas Termicas, Cesarini Hnos., Bs As, P23968 Stepanoff, A. J., Turboblowers, Wiley, 1955 Vincent, E., The Theory and Design of Gas Turbines and Jet Engines, McGraw Hill, 1950, P27079 Vivier, L., Turbinas de Vapor y de Gas, URMO, 1975, P17940 Wilson, D., The Design of High Efficiency Turbomachinery and Gas Turbines, MIT Press, 1985 Zuyev, V., and Skubachevskii, L., Combustion Chambers for Jet Propulsion Engines, Pergamon, 1964, P12780 ii

3 INDICE UNIDAD 1: Turbomáquinas, clasificación, tipos. Repaso de balances energéticos. Intercambio de energía: teorema de Euler. Casos elementales: turbina plana y curva. 1. Turbomáquinas: Clasificación Repaso de balances energéticos Intercambio de cantidad de movimiento: Teorema de Euler Casos elementales: Turbinas de paletas plana y curvas... 6 UNIDAD 2: Elementos de las turbomáquinas: conversión de energía potencial en cinética, toberas y difusores. Flujo compresible. Performances. 1. Conversión de EP en EC: Toberas y Difusores Velocidad isentrópica del sonido Condiciones de remanso Conductos con cambio de seccion Conducto convergente-divergente:tobera de Laval Diagrama y cono de stodola Rendimiento de toberas:factor ϕ Difusores...16 UNIDAD 3: Compresores centrífugos. Tipos. Componentes. Dimensionamiento. Performance. Funcionamiento anormal 1. Descripción Tipos Transferencia de cantidad de movimiento en el rotor Componentes del rotor Funciones Deslizamiento Diagramas de velocidades Difusor Tipos Difusor de alabes Difusor caracol Flujo compresible, predimensionamiento Mapa elemental Diagrama i-s Parametros adimensionales Mapa de compresor Bombeo Atoramiento...31 UNIDAD 4: Compresores axiales. Teoría alar. Efectos viscosos. Pérdidas. Performance 1. Introducción Teoría alar General Perfiles alares Teoría del ala Circulación Sustentación y resistencia al avance Coeficientes de sustentación y resistencia. Diagrama polar Efectos viscosos Distribuciones de presiones Efecto del ángulo de ataque Pérdida de sustentación Compresores multietapa Etapas, diagramas de velocidades Grado de reacción...38 iii

4 3.3 Desviación Pérdidas Diagrama i-s Relación de compresión Mapa de compresor...41 UNIDAD 5: Turbinas radiales. Turbomáquinas hidráulicas: bombas y turbinas hidráulicas 1. Turbina radial General Turbocompresores para motores de CI Funcionamiento. Diagramas de velocidades Proceso en la turbina Mapa de turbina Turbomáquinas hidráulicas Bombas hidráulicas Turbinas hidráulicas Turbina de chorro (Pelton) Turbinas de admisión plena Turbinas radiales y mixtas Turbinas axiales Eficiencias...61 UNIDAD 6: Turbinas de vapor. Operación. Eficiencias. Pérdidas 1. Clasificación Turbina de acción de una etapa: Turbina de Laval Funcionamiento Diagrama i-s. Rendimiento Turbinas de acción multietapa Escalonamientos Turbina Curtis Operación Diagrama i-s. Rendimiento Turbina Rateau Operación Diagrama i-s. Rendimiento Turbina de reacción: Turbina Parsons Operación Diagrama i-s. Rendimiento Comparación Pérdidas en las turbinas de vapor Pérdidas en los álabes Otras pérdidas Punto de operación económica Recalentamiento Empuje axial Rendimientos de las turbinas de vapor...82 UNIDAD 6A: Diagramas h-s para turbinas y compresores, Grado de reacción. Velocidad y diámetro específicos. Selección de turbomáquinas 1. Grado de reacción Máquinas axiales Compresor axial Turbina axial Maquinas radiales Compresor radial Turbina radial Velocidad y diámetro específicos. Selección de turbomáquinas Velocidad y diámetro específicos...87 iv

5 4.2 Selección de turbomáquinas...89 UNIDAD 7: Regulación y control de turbinas de vapor 1. Introducción Línea de Willans Regulación Regulación ideal cuantitativa o por toberas Regulación cualitativa o por estrangulación Regulación por toberas de la primera etapa Sobrecargas Regulación por by-pass Sistemas de control y regulación UNIDAD 8: Juntas de estanqueidad, sellos laberínticos, curvas de Fanno 1. Juntas de estanqueidad Sellos mecánicos Sellos hidráulicos Sellos laberínticos Curvas de Fanno UNIDAD 9: Turbina de gas ciclo Brayton y otros 1. Introducción Ciclo Brayton simple ideal Ciclo Brayton simple, real Ciclo de Brayton teórico regenerativo (o con recuperación de calor) Ciclo regenerativo real (ε 1) Ciclo Ericsson Ciclo Compound (Brayton regenerativo con enfriamiento y recalentamiento intermedios) Combustión UNIDAD 10: Turbina de gas: Arranque; influencia de las condiciones ambientes; propulsión aérea. 1. Punto de operación Control de la TG Arranque de la TG Influencia de la temperatura ambiente Propulsión aérea UNIDAD 11: Generadores de Vapor 1. General Calderas humotubulares Calderas acuotubulares Ciclos de vapor Condensadores Agua, aire, combustible UNIDAD 12: Cogeneración, Ciclo Combinado, Exergía 1. Cogeneración Ciclo combinado gas-vapor Pinch point y temperatura de escape Exergía, rendimiento del ciclo combinado v