u02 tm termicas
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TURBOMAQUINAS Y LABORATORIO
ILM - 322
Unidad 2: Turbomáquinas térmicas
Dr.-Ing. Miriam Roth
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0. Introducción1. Turbomáquinas hidráulicas2. Turbomáquinas térmicas3. Repaso de Termodinámica. Leyes Fundamentales
4. Repaso de Termodinámica. Gases Ideales.5. Números Adimensionales6. Teoría unidimensional de etapas7. Aplicación en bombas y compresores8. Aplicación en turbinas
9. Repaso general10. Selección y puntos de trabajo de TM11. Fenómenos de operación en TM12. Control y seguridad en TM
Unidades
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• Transforman Etérmica (dh) => Emec
• Cumplen ec. Euler
• Flujo compresible
1. Turbinas a vapor
2. Turbinas a gas3. Compresores
IntroducciónTurbomáquinas térmicas
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Trabajo específico: diferencia deentalpía total siguiendo unproceso isentrópico
Y < 0 turbinas / Y > 0 compresores
• Vapor => tablas (h-s)
• Gas (ideal) => ley gases
• Rendimiento:
Introducción
= ∆ ℎ= ℎ ℎ +
2
2
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H2O
η ≈∆ℎ
η ≈
∆ℎ
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TURBINAS VAPOR
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Rendimiento isentrópicoTurbina vapor
• Comparación entre los resultados de un sistema real frente a uno ideal bajo las mismas condiciones de op.
• Rendimiento isentrópico de una turbina:
h
s
p1
p2
T1
2s
1
2
h1-h2h1-h2S
η =ℎ ℎ
ℎ ℎ
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η ≈∆ℎ
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• Turbina vapor => máquina motora
• Fluido pasa a través rodete=> vapor
• Estado vapor: alta (HP), media(MP) y
baja presión(LP)
• Salida vapor: condensado,sobrecalentado (procesos)
Introducción
https://www.youtube.com/watch?v=MulWTBx3szc
https://www.youtube.com/watch?v=5kFOq9_10kc
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• Más de 25% de Eeli mundial es actualmenteproducida mediante TV
• Centrales: nucleares, térmicas (gas, carbón,
petróleo), biomasa, solar
• Centrales entregan vapor para procesos industrialeso cómo portador de calor (sistemas calefacción)
• Más pequeñas como accionamiento en industria decompresores, bombas o generadores.
Introducción
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Clasificación Turbinas a vaporPor potencia
Pequeñas TV
TV industriales
TV centrales eléctricas
Modelos TV Siemens
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Potencia MW
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• Acción: sólo Δh en álabesdirectrices (toberas)
Clasificación Turbinas a vaporPrincipio trabajo
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• Reacción: Δh en álabes
fijos y móviles
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Corte cilíndrico en álabes deturbina axial
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punta
eje
z
r
2 S
1 S
La z
r t
2 =
1
2
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• Grado de reacción:
Gran caída de presión en TV => varias etapas
• Altas velocidades de rotación• Grado de reacción pequeño (acción
=0)=> menos etapas, pero sellos máscomplejos por alto dp si varias etapas
• Grado 0.5 significa álabes iguales => bajacosto, app. duplica etapas, pero simplificasellos entre etapas.
Grado de reacción
=∆ℎ
∆ℎ
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0 < < 1
0 1 2 310bar4bar
10bar 8bar 6.5bar
4bar
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TV acción TV reacción
Δp rodete = 0 Δp rodete ≈ 0.5
Todo Δp se transforma en álabesdirectrices en velocidad
Δp estator≈ 0.5 => menores costos (si son iguales P)
Altas vel y gran desviación=>pérdidas
Menores velocidades y desviación=> menores pérdidas
Bajas pérdidas volumétricas,sellos eje menor área
Mayores pérdidas vol. => sellos ejecostosos => mayor área
Mayores Δh por etapa => menosetapas para mismo Δp (peromayor tamaño por diafragmas)
Más etapas => mayor dimensiónaxial => sellos entre etapas mássimples
Bajas F axial => menores costos Mayores F axial => disco/émbolo decompensación / doble flujo
Comparaciónen etapa simple
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Clasificación Turbinas a vapor
• Etapa simple
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1. tobera
2. rodete curtis (2-C)3. eje4. rodamiento5. regulación velocidad6. válvula regulación
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Clasificación Turbinas a vapor
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• Etapa simple
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Clasificación Turbinas a vapor
• Multietapas
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Tipo cámara Tipo tambor
Clasificación Turbinas a vaporConstrucción
• baja rigidez a la flexión
• principialmente en pocas etapas(TV acción)
• sellos menor superficie ↓ pérdidas vol
• ↑ pérdidas en RSR
• mayor rigidez rotor (a altas velocidadesmenores espacios)
• principialmente en varias etapas(reacción)
• ↑ pérdidas volumétricas (eje mucha
superficie)
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Etapas combinadas
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Clasificación
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• Multiflujo
• En un eje
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Tipos de TV axiales
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Laval Curtis Zoelly Parson
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• de contrapresión : aplicaciones de vapor en procesos.
– p de salida es controlada por una válvula reguladora para satisfacer las necesidades depresión en el vapor del proceso.
– comúnmente en refinerías, plantas de papel/pulpa y en instalaciones de desalinización,donde se dispone de grandes cantidades de vapor de proceso a baja presión.
• de condensación: plantas de potencia eléctrica. – expelen vapor en estado parcialmente saturado, generalmente con un título de vapor
mayor al 90 % y p bastante inferior a la atmosférica hacia un condensador.
• de recalentamiento: plantas de potencia eléctrica.
– el flujo de vapor sale de una sección a alta presión de la turbina y es regresado a la
caldera donde se le vuelve a sobrecalentar. El vapor entonces regresa a una sección depresión intermedia de la turbina y continúa su expansión.
• de extracción : todo tipo de aplicaciones.
– el vapor es liberado en diversas etapas y aprovechado en distintos procesos industriales,también puede ser enviado a calentadores de agua para mejorar la eficiencia del ciclo.
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Clasificación turbinas vaporSegún salida vapor
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• Centrales térmicas: 3000, 3600rpm => vapor SC
– P producido por altos Δh
• Centrales nucleares: 1500, 1800rpm => vapor sat.
– Mayores potencias por altos => varias turbinas (HP, LP)
Parámetros funcionamientoCentrales térmicas vapor
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Regulación TV
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Turbinas acción:
• Grupos de toberas (on/off)
• no afecta rendimiento mayormente
Turbinas reacción:
• Utilizar una etapa de acción para regular
• Estrangular flujo másico llegada
=> cambia el rendimiento (si n=cte)
Cambio de presión => (dh isentrópico):
• presión fija => válvulaestrangulación a la entrada
• Variación combustible y presión
de bomba
PT = ηT m Y
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7.1.2
Central térmica de 600MW con turbinas de condensación
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• Condiciones salida fijas por T°ambiente/enfriamiento
• Aumentar presión y temperatura entrada =>materiales (650°C y 350bar)
• Sobrecalentamiento intermedio => baja la
humedad (no debe ser mayor a 5%)• Aumento flujo másico => ↑ diámetro salida
=> fuerzas sobre álabes. Largo de álabeslimitado por fuerza centrífuga – 1200mm para 3000rpm; 1450mm para 1500rpm
– máx flujo estimado 1500m3/s en un flujo.
• Dimensiones y peso (transporte)
• Acoples
Posibilidad aumento eficienciaLímites
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= η
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• Grandes fuerzas en base deálabes
• Posible condensación enúltimas etapas => erosión
condensador
• Vibraciones
Problemas
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• Anillos de grafito/carbón – más económicos – menor vida útil
• Laberintos – no se tocan, no hay desgaste ni se
calientan – costosos, difícil fabricación, buena
precisión – altas revoluciones
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Sellos
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Central térmica de vapor
Proporcionaenergía paraevaporar agua
Conversióncalor=> trabajo Conversión energía
mecánica a eléctrica
Condensaciónfluido. Entregaenergía a laatmósfera
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• Turbina vapor unida agenerador => genera Eeli enuna central a vapor => cicloTD Clausius-Rankine (ideal)
Centrales de vapor
1. Bomba: dp isentrópico (líquido)
2. Caldera: agrega Q p. isobárico => vapor sat o sc
3. Turbina: exp isentrópica (campana)
4. Condensador: quita Q p. isobárico.
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IntroducciónBombas
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Introducción:Calderas de vapor
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Introducción :Turbina de vapor
Fuente: Siemens Turbina vapor SST-600Hasta 100MW
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TV Alta presión (HP)
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TV Media presión (MP)
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TV Baja presión (LP)
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IntroducciónCondensadores
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IntroducciónTorre enfriamiento
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IntroducciónRendimiento térmico central
Rendimiento térmico: cantidad energíarecibida por el fluido de trabajo en lacaldera que se convierte en trabajo netoproducido.
=
= 1 ℎ
4 ℎ
ℎ ℎ
=
=
=(ℎ ℎ4) ( ℎ ℎ)
ℎ ℎ
=(ℎ ℎ) ( ℎ4 ℎ)
ℎ ℎ
inm
out m
in
out inth
T
T
Q
,
,1=
=
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• Rendimiento caldera: CA
(0.8 a 0.9)
• Rendimiento isentrópico turbina: Tu
(0.7 a 0.9)
• Rendimiento generador: G (app. 0.98)
• Pérdidas calor: (app. 1 %)
• Consumo eléctrico bombas: P b /P
el (5 a 10 %)
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RendimientoCentral térmica
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=
el
b
in
V
GTuCAthtot P P
QQ 11
inV QQ
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¿Cómo mejorar rendimiento?
• Aumentar tempertura vapor
entrada (refrigeración aletas)
• Bajar presiones condensador
• Precalentar agua abastecimiento
caldera
• Recalentamiento vapor
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RendimientoCentral térmica
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1. Determine la relación entre volumen de salida al volumen de entrada delvapor en una turbina que expande de p=150 bar y 530°C hastap=0.05bar y x=0.9.
2. Determine el rendimiento (∆ℎy ∆ℎ => diagrama)
3. Calcule el caudal en la última etapa de una TV que deja en estascondiciones (p=0.05 bar y x=0.9 ) la turbina. Considere n=3000rpm.
– Nota: la relación
no debe ser menor a 3.2 (el álabe se hace muy pesado y la
separación entre álabes muy grande=> baja eficiencia)
– Además considere: , = 350/ y velocidad salida c=200m/s
4. Calcule el largo del álabe para la primera etapa (p=150 bar y 530°C)considerando u=180m/s y c=50m/s y compárelo con el de la últimaetapa.
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Ejercicio TV
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TURBINAS GAS
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• Primeras TG hace ap. 70 años• Desarrollo militar aeronaves
– posibilita mayores alturas y velocidades
• Avances – mayores P en compresor
– materiales resistentes a altas T°
– refrigeración álabes – aumentar T° entrada (1250°C)
– relación de presiones (25)
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IntroducciónHistoria
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• Máquina térmica motora con cicloparecido a TV, pero: – Presiones trabajo menores – Temperaturas trabajo mayores – Menor trabajo específico – Menores número etapas
IntroducciónComparación TG y TV
Turbina gas Turbina vapor
Presión trabajo < 25 bar < 250 bar
Temperatura trabajo < 1200 °C < 550 °C
Presión salida ≥ 1 bar > 0.02 bar
Temperatura salida > 400 °C > 20 °C
Diferencia calor 500 kJ/kg 1500 kJ/kg
Etapas 4 a 8 20 a 40
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• Ciclo de TG parecido a TV, pero: – Bomba => compresor (300 más E para = Δp)
– Caldera => cámara combustión
– Turbina vapor => turbina gas
– Condensador => enfriador
IntroducciónComparación TG y TV
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• Ciclo abierto
• Ciclo cerrado
IntroducciónCiclo ideal de Joule-Brayton
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Procesos:• (1-2) compresión adiabática reversible.
• (2-3) Calentamiento isobárico.
• (3-4) Expansión adiabática reversible.
• (4-1) Enfriamiento isobárico.
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• La eficiencia de un ciclo estándar Joule-Brayton con aire,depende sólo de la relación de presiones (rp) en el procesoisentrópico.
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Ciclo ideal de J.-Brayton:Eficiencia térmica
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3
T
s
4
1
2
2’
3’
Límite rp => T° x razones metalúrgicas entrada turbina
η = 1 1
−
Tmax
Proceso real => politrópico
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• Bajo peso por kW de P
• Bajo tamaño por kW de P
• Demanda baja o nula de agua de refrigeración
• Encendido rápido
• Fácil regulación y automatización proceso
• Poco personal operación• Bajo consumo lubricación
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Ventajas TGv/s TV y combustión
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• Generación electricidad – Pmax ≈ 400MW
• Accionamiento bombas y compresores
industria – Pmax ≈ 60 MW
• Propulsión trenes, autos y barcos
• Propulsión aeronaves
– empuje 200 ≈ kN
Aplicaciones
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• Micro-TG => hasta 200kW (remplazo motores) η≈30%• TG liviana (aeronaves)
– Requisito: bajo peso – Potencias: 500 – 40.000 kW
• TG industriales y aero-derivative – Potencias: 500 – 100.000 kW
• TG pesadas η≈40% – Requisito : carga continua – Potencias: 100 – 400 MW
• TG cerradas (máquina motora térmica) – Fluido trabajo no entra a cámara combustión (ciclo con toma
y entrega calor)• TG abiertas (máquina motora a combustión)
– Fluido trabajo es el combustible (no es un ciclo)
• Cantidad de ejes (mismas rev. o diferentes)
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Clasificación
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EjemploTG generación electricidad
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Grandes TG industriales: un eje, rev. iguales turbina y compresor, bajo costo,vida útil alta, ciclo combinado, potencia carga punta• Siemens Power Generation, Alstom Power, General Electric, Mitsubishi
TG industriales medianas:
• Siemens Power Generation, Alstom Power, General Electric, Rolls Royce,Pratt & Wittney, Hitachi, MAN Turbo, Solar Turbines (Caterpillar), Kawasaki
Turbinas avión: multieje, compresor tiene turbina propia, turbinas reacción(sólo propulsión)• General Electric, Rolls Royce, Pratt&Wittney, Japanese AeroEngines, MTU
Microturbinas: 25-100 kW• Capstone, Turbec, Elliot, Ingersoll-Rand
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Fabricantes TG
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• Más flexibles• Rápida operación
• Mayores rangos
• Ciclo combinado – Turbina gas y
vapor =>aumentaeficiencia planta(55%)
AplicacionesCiclo combinado generación eli
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AplicacionesGeneración Eli
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l
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AplicacionesIndustriales
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https://www.youtube.com/watch?v=3f3TI0WpJCs&feature=youtu.be
https://www.youtube.com/watch?v=GF-70yncAVY
li i
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AplicacionesAutos y barcos (turbo)
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A li i
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AplicacionesPropulsión aeronaves
Curso: Termofluidos Semestre: 2-2014 Prof: M.Roth Slide: 65
• Estatoreactor: – Simple
– Altas vel.
• Turboprop:
– Empuje => hélice
– Hasta 600km/h
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• Descripción: – Fluido no entra en contacto con cámara
combustión
• Ventajas: – Álabes limpios (sin gases escape, sin
corrosión) – Tipos de combustibles (pesados, máseconómicos)
– Regulación potencia (psist=> , buen η bajoscaudales
– presiones operación altas => dimensiones
pequeñas => mayores P – Ej. He alto cp => disminuir interc. calor
• Desventajas: – más componentes – grandes cantidades agua refrigeración
Ciclo cerrado
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Componentes
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C t
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• Aumentan la presión de aire para lacombustión
• Tipos:
– Axial (varias etapas)=> rotor aumenta p y vel;estator aumenta p y baja vel
– Radial (turbo)
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ComponentesCompresor
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C t
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• Eficiencia app 94 a 98%
• Estadía combustible app 10ms
• Pérdida presión app 3-8%
• Tipos:
– tubulares
– anulares
– tuboanulares
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ComponentesCámara de combustión
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C t
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• Tubular (can): – simplicidad, su fácil diseño y su fácil
acceso – son grandes y pesadas (estáticas)
• Anulares: – principalmente en turbinas de
aviación
– más aerodinámica – requieren menos aire de
refrigeración – dificultoso mantenimiento – distribución de T no uniforme
• Tuboanulares: – grupos de cámaras tubulares que se
montan en el interior de un cilindro – combina virtudes=> robustez detubulares y compacidad de anulares.
– seis y diez cámaras – flujo de gases en estos equipos es
más estable
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ComponentesCámara de combustión
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• Turbina: – Construcción de materiales termo resistentes
(superaleaciones a base de Níquel, Cobalto, Cromo,
Acero) – Revestimientos cerámicos (altas T)
– Doble carcaza (interior => guía y soporta gasescalientes; externa soporta fuerzas de presión)
– Aire para enfriar (entre carcazas y perforacionesálabes)
– Para evitar oscilaciones de álabes muy largos se unen
Componentes ciclo TG
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Componentes
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ComponentesÁlabes directrices (Turbo)
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Refrigeración TG
Nickel-Turbinenschaufeln aus der Hochdruckturbinen-Komponenteeines Rolls-Royce Trent Triebwerks
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Refrigeración TG
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η
sin refrigeración1200°C => 40%
1200°C => 30%Sellos => laberinto
Descansos:• Rodamientos pequeñas• Bujes lubricados grandes
Ejemplo
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Siemens turbina SGT-800
Datos técnicos:
• Potencia salida: 47,5MW
• Combustible: Gas natural• Frequencia: 50 / 60 Hz• Rendimiento eléctrico: 37,7 %• Consumo calor: 9.547 kJ/kWh• Revoluciones turbina: 6.608 U/min• Relación compresión compresor: 20,1:1• Flujo másico / temperatura gases escape: 132,8 kg/s / 541 °C• Emisiones NOx: ≤ 15 ppmV
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EjemploCaracterísticas TG
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http://www.energy.siemens.com/hq/en/fossil-power-generation/gas-turbines/sgt-800.htm#content=Technical%20data
15 etapas compresión
3 etapas expansión
Ejemplo
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EjemploPlanta generadora eli con TG
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COMPRESORES
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Introducción
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• Máquina de fluido generadoras => aportan energía alfluido
• Según relación de presiones :
– ventiladores : 1 < π < 1,1 => una etapa / axial
– sopladores: 1,1 < π < 3 => una (pocas)etapas/radial y axial
– compresores : 3 < π => varias etapas radial /múltiples etapas axial
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IntroducciónTM térmicas generadoras
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=
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• Ventiladores => Baja p «fan»
• Sopladores => media p 0.5 a 1bar «blower»
• Compresores => alta p (varias etapas) = «compressor»
– Alternativos
– Rotatorios
– Centrífugos
– Axiales
Clasificación
Caudal
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• Aumentan presión fluido compresible(gas)
• Tipos:
– Radiales: hasta 600bar y 60m3/s
– Axiales: hasta 50bar y flujos 300m3
/s• Unidades pequeñas (baja P y flujo)
compresores radiales
• Si relación de presiones sobre 4 =>axial de varias etapas
• Rendimiento axiales es mayor,tamaño menor para igual dp
• Salida compresor difusor (transformaenergía cinética en presión)
Compresores
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radialesrefrigerados
radiales norefrigerados
axial
Compresores
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CompresoresClasificación
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• Rendimientos 0.6 a 0.7• Rodete – difusor• Rodete:
– abierto
– cerrado – semiabierto de aspiración simple – semiabierto de aspiración doble
• Álabes:
– Curvados hacia atrás – Radiales o rectos – Curvados hacia delante
Compresores centrífugos
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• Difusor => recuperar Ekin
• Caja espiral => coronadirectriz y/o difusor
• Difusores sin álabes =>menor rendimiento, perovaría menos con flujo
• Difusor con álabesgeometría variable =>bueno, pero complicado
Compresores centrífugos
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• Caudales muy grandes(500000 m3/h)
• Flujo axial dirección eje• Cap mínima 15m3/s
• Émbolo de compensaciónempuje axial• Velocidades más elevadas que
centrífugos (+25%)
• Aplicaciones=> caudales altosy constantes (hornos,turbofan, etc)
Compresores axiales