TURBOMÁQUINAS TÉRMICASTURBOMÁQUINAS TÉRMICASCT-3412

4. Aspectos Generales de las Máquinas 3

Prof. Nathaly Moreno SalasIng. Victor Trejo

Turbocompresores

Turbocompresor axial industrial

Turbocompresores: Definición

� Es una TMT en la cual se le transfiere

energía a un fluido de trabajo (generalmente trabajo (generalmente aire) en forma de un aumento de presión

� Se considera compresor apartir de relaciones decompresión 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

Compresores: Características (1/2)

� El fluido es desacelerado y se mueve hacia zonas de presión másaltas, lo que propicia la aparición de inestabilidades

� Cambios de presión mucho más pequeños que en turbinas, por lo quese requieren muchas más etapas para la misma relación de presiones

Fuentes: Presentaciones de la asignatura Turbocompresores y ventiladores de la universidad de StuttgartCompressors and modern process applications – Bloch H.

Turbina a gas con compresor axial de 16 etapas

Compresores: Características (2/2)

� Típicamente operan a altas velocidades y son altamenteconfiables (si son bien operados)

� Uso muy difundido: alrededor del 20% de la energíagenerada se emplea para impulsar compresores yventiladoresventiladores

Fuentes: Presentaciones de la asignatura Turbocompresores y ventiladores de la universidad de StuttgartCompressors and modern process applications – Bloch H.

Compresor radial

isotérmico (Sulzer)

Compresores: Principio de trabajo

� En el rotor: se suministra impulso al fluido, lo que produce unaumento de la velocidad absoluta y aumento de la presiónestática. En el rotor se desacelera la componente de velocidadrelativa:

12 cc > 12 pp > 12 ww <� En el estator: en el difusor se convierte energía cinética en

mecánica a través de la desaceleración del fluido:

12 cc > 12 pp > 12 ww <

32 cc > 23 pp >

Fuente: Presentaciones de la asignatura Turbocompresores y ventiladores de la universidad de Stuttgart

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 confiabilidadproceso y alta confiabilidad

� 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

Presión y velocidad a lo largo de una etapa de compresión radial

Fuente: Gas turbine Handbook – Boyce M.

Turbocompresor radial de 4 etapas

Compresores axiales

� Maneja grandes flujos volumétricos con pequeñas relaciones de compresión por

etapa (1.1-1.4) con altas eficiencias, pero es muy sensible a variaciones de las

condiciones de operacióncondiciones de operación

� 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.Proceso de compresión en un compresor axialFuentes: Gas turbine Handbook – Boyce M.

Presentaciones de la asignatura Turbocompresores y ventiladores de la universidad de Stuttgart

Inestabilidades en turbocompresores

� La desaceleración brusca del fluido de trabajo o la entradadel fluido con un triángulo de velocidad muy diferente al dediseño puede causar inestabilidades que disminuyen laeficiencia y que pueden comprometer la integridad de lamáquina. Las inestabilidades más importantes son: Stallmáquina. Las inestabilidades más importantes son: Stall(entrada en pérdida), rotating stall (entrada en pérdidarotativa) 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

Stall (entrada en pérdida)

� Cuando los ángulos de incidencia se alejan de los ángulos de diseño, se produce diseño, se produce

desprendimiento y por tanto recirculación local, vibraciones y

pérdidas (aumento del empuje y disminución de la sustentación).

� El fenómeno de stall perturba elcampo de velocidades, por lo queproduce también pérdidas en lasetapas subsecuentes del compresor.Fuente: Turbomachinery design and theory – Dekker M.

Rotating Stall (entrada en pérdida rotativa)

� Cuando se produce stall, la perturbaciónen el campo de velocidades afecta a losálabes adyacentes, cambiando laincidencia del flujo y produciendo stall asu vez en el siguiente álabe al tiempoque se normaliza el campo develocidades en el primero. El rotatingstall redistribuye el flujo másico en elrotor, pero sigue pasando elcorrespondiente al punto de operación. � La velocidad de propagación del

rotating stall está relacionada con lavelocidad de giro de la máquina y conel número de celdas en stall. El rotatingstall es de interés porque si lafrecuencia de propagación se acerca ala natural del álabe, puedenocasionarse daños graves.

Fuente: Mechanics and thermodynamics of turbomachinery – Dixon S.

Mecanismo de propagación de stall

Contornos de presión en rotating stall (2 celdas con stall)

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 cuando el fluido se regresa a

zonas de menor presión y vuelve a ser comprimido.

� 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.Falla de motor de avión debido a surge

Variación de presión durante surge

Fuente: Presentaciones de la asignatura Turbocompresores y ventiladores de la universidad de Stuttgart

Construcción: Carcasa partida

� Facilita labores de mantenimiento, pero soportaniveles de presión más bajos debido a la mayorárea de sellado.

Construcción: Tipo barril

� Mantenimiento más difícil, pero tiene menor área de sellado y soporta niveles de presión más altos.

Resumen

� En esta presentación se hizo una introducción a lasturbinas a vapor, a las turbinas a gas y a losturbocompresores mencionando aspectos generalesde cada equipo y algunas particularidadesresaltantes. Este contenido permite contextualizarresaltantes. Este contenido permite contextualizarlos aspectos técnicos tratados durante el curso.