CT Prof. Nathaly Moreno Salas Ing. Victor Trejo. 4. Aspectos Generales de las Máquinas 3

Transcripción

1 TURBOMÁQUINAS TÉRMICAS CT-3412 Prof. Nathaly Moreno Salas Ing. Victor Trejo 4. Aspectos Generales de las Máquinas 3

2 Turbocompresores Turbocompresor axial industrial

3 Turbocompresores: Definición Es una TMT en la cual se le transfiere energía a un fluido de trabajo (generalmente aire) en forma de un aumento de presión Se considera compresor a partir de relaciones de compresión mayores a 2: Ventilador:Π<1.3 Soplador: 1.3<Π<2 Compresor:2<Π Fuente: Presentaciones de la asignatura Turbocompresores y ventiladores de la universidad de Stuttgart

4 Compresores: Características (1/2) El fluido es desacelerado y se mueve hacia zonas de presión más altas, lo que propicia la aparición de inestabilidades Cambios de presión mucho más pequeños que en turbinas, por lo que se requieren muchas más etapas para la misma relación de presiones Turbina a gas con compresor axial de 16 etapas Fuentes: Presentaciones de la asignatura Turbocompresores y ventiladores de la universidad de Stuttgart Compressors and modern process applications Bloch H.

5 Compresores: Características (2/2) Típicamente operan a altas velocidades y son altamente confiables (si son bien operados) Uso muy difundido: alrededor del 20% de la energía generada se emplea para impulsar compresores y ventiladores Compresor radial isotérmico (Sulzer) Fuentes: Presentaciones de la asignatura Turbocompresores y ventiladores de la universidad de Stuttgart Compressors and modern process applications Bloch H.

6 Compresores: Principio de trabajo En el rotor: se suministra impulso al fluido, lo que produce un aumento de la velocidad absoluta y aumento de la presión estática. En el rotor se desacelera la componente de velocidad relativa: c 2 > c 1 2 p 1 p > w 2 < w 1 En el estator: en el difusor se convierte energía cinética en mecánica a través de la desaceleración del fluido: c 2 > c 3 p 3 > p2 Fuente: Presentaciones de la asignatura Turbocompresores y ventiladores de la universidad de Stuttgart

7 Compresores centrífugos Son empleados en pequeñas turbinas a gas y son parte integral de la industria petroquímica gracias a su operación suave, alta tolerancia a fluctuaciones en el proceso y alta confiabilidad Presión y velocidad a lo largo de una etapa de compresión radial Fuente: Gas turbine Handbook Boyce M. Turbocompresor radial de 4 etapas Permiten altas relaciones de compresión (1.4-6) por etapa para flujos másicos menores a los que puede manejar uno axial. Su geometría permite la instalación sencilla de unidades de interenfriamiento

8 Compresores axiales Maneja grandes flujos volumétricos con pequeñas relaciones de compresión por etapa ( ) con altas eficiencias, pero es muy sensible a variaciones de las condiciones de operación Proceso de compresión en un compresor axial Fuentes: Gas turbine Handbook Boyce M. Presentaciones de la asignatura Turbocompresores y ventiladores de la universidad de Stuttgart Muy atractivos para impulso de aviones debido a su bajo volumen, menor superficie frontal y menor peso para el mismo flujo másico y misma relación de compresión. Empleados en turbinas a gas de gran potencia.

9 Inestabilidades en turbocompresores La desaceleración brusca del fluido de trabajo o la entrada del fluido con un triángulo de velocidad muy diferente al de diseño puede causar inestabilidades que disminuyen la eficiencia y que pueden comprometer la integridad de la máquina. Las inestabilidades más importantes son: Stall (entrada en pérdida), rotating stall (entrada en pérdida rotativa) y surge (bombeo) Cuando en un avión, la velocidad de viento relativa está muy alejada de la de diseño, se produce stall y disminuye la sustentación

10 Stall (entrada en pérdida) Cuando los ángulos de incidencia se alejan de los ángulos de diseño, se produce desprendimiento y por tanto recirculación local, vibraciones y pérdidas (aumento del empuje y disminución de la sustentación). Fuente: Turbomachinery design and theory Dekker M. El fenómeno de stall perturba el campo de velocidades, por lo que produce también pérdidas en las etapas subsecuentes del compresor.

11 Rotating Stall (entrada en pérdida rotativa) Cuando se produce stall, la perturbación en el campo de velocidades afecta a los álabes adyacentes, cambiando la incidencia del flujo y produciendo stall a su vez en el siguiente álabe al tiempo que se normaliza el campo de velocidades en el primero. El rotating stall redistribuye el flujo másico en el rotor, pero sigue pasando el correspondiente al punto de operación. Mecanismo de propagación de stall Fuente: Mechanics and thermodynamics of turbomachinery Dixon S. Contornos de presión en rotating stall (2 celdas con stall) La velocidad de propagación del rotating stall está relacionada con la velocidad de giro de la máquina y con el número de celdas en stall. El rotating stall es de interés porque si la frecuencia de propagación se acerca a la natural del álabe, pueden ocasionarse daños graves.

12 Surge (bombeo) Está asociado a la operación a bajos flujos másicos. Se refiere a violentas oscilaciones de flujo másico y presión a lo largo de la máquina que se produce cuando el fluido se regresa a zonas de menor presión y vuelve a ser comprimido. Falla de motor de avión debido a surge Variación de presión durante surge Tiene como consecuencias niveles altos de vibración y ruido y aumento importante de la temperatura del fluido. Esto puede dañar la máquina muy rápidamente, por lo que evitarlo es un aspecto muy importante de la operación de los turbocompresores. Fuente: Presentaciones de la asignatura Turbocompresores y ventiladores de la universidad de Stuttgart

13 Construcción: Carcasa partida Facilita labores de mantenimiento, pero soporta niveles de presión más bajos debido a la mayor área de sellado.

14 Construcción: Tipo barril Mantenimiento más difícil, pero tiene menor área de sellado y soporta niveles de presión más altos.

15 Resumen En esta presentación se hizo una introducción a las turbinas a vapor, a las turbinas a gas y a los turbocompresores mencionando aspectos generales de cada equipo y algunas particularidades resaltantes. Este contenido permite contextualizar los aspectos técnicos tratados durante el curso.