Modelado en Matlab del diseño preliminar de turbinas de gas de flujo axial

Transcripción

1 Modelado en Matlab del diseño preliminar de turbinas de gas de flujo axial Autor: Juan Ricardo Borrallo Lezcano Tutor: Dr. Antonio Muñoz Blanco

2 Índice de contenido 1 Introducción y planteamiento del Proyecto Introducción a las turbinas de gas de flujo axial Principio de funcionamiento Configuraciones para la turbina de gas Montaje en eje simple Montaje en doble eje Ciclo regenerativo Objetivo y planteamiento del proyecto Modelo de diseño preliminar Teoría básica del diseño de la turbina axial Modelado del diseño preliminar Paso 1. Calculo del número de escalonamientos y diagrama de velocidades Paso 2. Estudio bidimensional en el diámetro medio Paso 3. Estudio tridimensional. Leyes de torsión Representación grafica del escalonamiento Análisis de sensibilidad Dimensionamiento básico. Guía general de diseño Número de Mach medio de entrada Número de Mach relativo en la raíz a la entrada del álabe de rotor Velocidad de rotación Carga del escalonamiento. Relación de expansión y número de escalonamientos Velocidad axial y coeficiente de flujo Angulo de conicidad meridional r Relación radio raíz/radio de cabeza rc H H Relación de aspecto (altura del álabe/cuerda o cuerda axial; ; l b ) Distancia entre coronas... 41

3 Grado de reacción AN Velocidad periférica de los discos Número de Mach de la velocidad absoluta de salida del último escalonamiento Angulo de la velocidad de salida ( swirl angle ) Relación paso/cuerda (s/l) Correlaciones de predicción de pérdidas Descripción de los diferentes modelos de pérdidas Ainley & Mathieson: Pérdidas en el perfil: Angulo de salida del flujo: Pérdidas secundarias: Pérdidas intersticiales por fugas en el rotor: Pérdida del borde de estela Resumen: Dunham & Came Pérdida en el perfil: Pérdida secundaria: Pérdidas intersticiales por fugas en el rotor Y TC : Resumen Kacker & Okapuu: Pérdida en el perfil Pérdidas secundarias: Pérdidas por fugas en la punta Pérdida del borde de estela (TE): Pérdida por funcionamiento fuera del punto de diseño: Resumen Craig & Cox: Pérdida en el perfil Pérdidas secundarias Página 3

4 3.5.3 Pérdidas intersticiales Resumen Mukhatarov & Krichakin Pérdidas en el perfil Pérdidas secundarias Moustapha, Kacker & Tremblay Pérdidas en el perfil por funcionamiento fuera de diseño Pérdidas secundarias fuera de diseño Modificación de la pérdida en el perfil en el punto de diseño Resumen Benner, Sjolander & Moustapha Mediciones y estudios sobre fenómenos físicos del flujo Una nueva división entre pérdidas en el perfil y secundarias Mamaev & Klebanov Sjolander and Yaras Leyes de torsión. Estudio tridimensional Leyes de torsión. Introducción Ecuación fundamental del diseño de un álabe con torsión (ecuación diferencial del equilibrio radial) Ecuación diferencial del equilibrio radial con trabajo constante de la base a la punta Ley de torbellino libre Diseño con α 2 constante de la base a la punta del álabe Análisis tridimensional Funcionamiento y resultados del programa de cálculo Estructura del programa Ejecución del programa de prediseño de turbinas axiales Análisis de sensibilidad Introducción Análisis del coeficiente de flujo Resultados del análisis del coeficiente de flujo Página 4

5 6.3 Análisis de la solidez Resultados del análisis de la solidez Análisis de la relación de aspecto Resultados del análisis de la relación aspecto Número de escalonamientos Grado de reacción Resultados del análisis Consideraciones finales y futuro trabajo Consideraciones finales Futuro trabajo Apéndice Referencias Página 5

6 Índice de figuras Figura Mecanismo de propulsión de un reactor Figura 2.1. Escalonamiento de una turbina axial Figura 2.2. Triángulos de velocidades Figura 2.3. Diagrama T-S de un escalonamiento de reacción Figura 2.4. Diagrama de flujo del paso Figura 2.5 Correlación de Smith. Relación de ϕ y ψ con Figura 2.6. Gráfico de Smith digitalizado Figura 2.7. Correlación del ángulo de calado y su digitalización Figura 2.8. Diagrama de flujo del paso Figura 2.9. Tipo de cabeza de álabe, ancho del hueco (k) y altura (h) Figura Curvas de la relación paso/cuerda optima de AM original y digital Figura Perfil de alabe convencional. Perfil aerodinámico T Figura Relación paso/cuerda optimo de Ainley & Mathieson Figura 3.1. Perdidas en el perfil para álabes de reacción, i=0 t/c=0.2, Re=2 10 5, M Figura 3.2. Perdidas en el perfil para alabes de acción Figura 3.3. Variación de la pérdida en el perfil por la variación de la incidencia de diseño Figura 3.4. Determinación de la incidencia de desprendimiento Figura 3.5. Corrección de la pérdida en el perfil Figura 3.6. Radio medio de la curvatura entre la garganta y el borde de estela Figura 3.7. Corrección por el número de Reynolds Figura 3.8. Grafico de la pérdida secundaria Figura Figura Perdidas en el borde de estela Figura Relación de contracción Figura Figura Corrección por el Reynolds Figura Corrección del número de Mach Página 6

7 Figura 3.15 Estructura del flujo con incidencia de diseño Figura 3.16: Esbozo de la estructura del flujo en la cara de succión con incidencia de diseño Figura 3.17: Esquema de la estructura del flujo en la pared final Figura 3.18: división irreal entre pérdidas secundarias y en el perfil con la división convencional Figura 3.19: División entre región principal y secundaria de perdida para la superficie de succión con el nuevo analisis Figura 3.20: Valor optimo de la relación paso-cuerda como una función de α s, donde los ángulos se definen desde el plano tangencial (original) Figura 4.1: Perfil del álabe de la base a la punta Figura 4.2: Diferencial Figura 4.3: Triángulos de velocidades según la Ley de Torbellino Figura 4.4: Evolución de los ángulos de raíz a cabeza y sus respectivos triángulos de velocidad Figura 5.1: Esquema de conexiones del programa de cálculo.... Figura 5.2: Presentación del programa de prediseño de turbinas de gas Figura 5.3: Pantalla del paso Figura Figura 5.5: Cuadro de dialogo de aviso Figura 5.6: Captura de pantalla del paso 2... Figura 5.7: captura de la ventana de aviso Figura 5.8: Captura de la pantalla del paso 3, resultados del análisis bidimensional.... Figura 5.9: Pantalla de la tabla de datos y diagrama H-S... Figura 5.10: Captura de la pantalla del análisis tridimensional.... Figura 5.11: Captura de la pantalla del análisis de sensibilidad.... Figura 5.12: Captura de la pantalla de resultados del análisis de sensibilidad para el coeficiente de flujo.... Figura 5.13: Hoja de Excel de exportación de datos.... Figura 5.14: Pestaña flujo de la hoja proyecto, con las graficas de evolución.... Figura 6.1. Pantalla del análisis de sensibilidad Figura 6.3. Resultado del análisis de sensibilidad para el coeficiente de flujo Página 7

8 Figura 6.4. Pestaña de la hoja de Excel proyecto relativa al coeficiente de flujo Figura 6.5. Velocidades respecto el coeficiente de flujo Figura 6.6. Rendimientos, solidez y coeficiente de carga respecto al coeficiente de flujo Figura 6.7. Trabajo especifico, potencia y salto térmico respecto al coeficiente de flujo Figura 6.8. Número de alabes respecto al coeficiente de flujo Figura 6.9. Conicidad del escalonamiento de rotor respecto al coeficiente de flujo Figura Ángulos del flujo respecto al coeficiente de flujo Figura Ángulos de cascada respecto al coeficiente de flujo Figura Diámetro medio y altura del último escalonamiento respecto al coeficiente de flujo Figura Numero de Mach respecto al coeficiente de flujo Figura Número de álabes por escalonamiento respecto a la solidez Figura Pantalla inicial del análisis de la relación de aspecto (h/b) Figura Número de álabes por escalonamiento de rotor según h/b Figura Conicidad respecto h/b Figura Pantalla de resultados del análisis del numero de escalonamientos Figura Número de Mach respecto al número de escalonamientos Figura Velocidades del flujo Figura Ángulo de conicidad Figura Rendimientos, coeficiente de carga y solidez Figura Potencia y trabajo especifico Figura Ángulos del flujo respecto al grado de reacción Figura Número de Mach Figura Conicidad en rotor y estator Figura Número de álabes de rotor y estator Figura Rendimiento, solidez, coeficiente de carga, potencia y trabajo especifico Página 8