9 2 Compresores Radiales

9.2 COMPRESORES CENTRIFUGOS

Prof. Nathaly Moreno Salas Ing. Vitor Tre!o

 T"r#o$%&"inas T'r$ias CT()*+2

Conteni,o Carater-sti as Co$onent es Etaa ra,ial Vista Meri,ional y ,iagra$a h(s Canal ,e Entra,a  Tri%ng"los  Tri%ng"los ,e Veloi,a,es Rotal-a I$"lsor Efeto entr-f"go y efeto ,e ,if" ,if"si si/n /n Rere erese sent nta ai/ i/n n ,e 0"!o tri,i$ensio tri,i$ensional nal Fator ,e ,esli1a$iento Consi,eraiones a la entra,a ,el rotor C"rat"ra ,e los %la#es Fator ,e Carga

Carater-stias ,e los i$"lsores ,e %la#es "ra,os haia atras 3if"sor Gra,o ,e reai/n E4ienia P'r,i,as

Carater-stias

3iagra$a ,e Cor,ier ara entila,ores  T"r#o$ahinery erfor$ane analysis 5 6e7is8 R.

Pro,"en inre$entos ,e resi/n $ayores &"e las t"r#o$%&"inas aiales. 6a resenia ,e 0"!o ra,ial re&"iere $ayor ta$a:o ;a$#io ,e ra,io8 "ni/n entre etaas8 reolei/n ,el 0"!o a la sali,a ,e la $%&"ina<

="ena oerai/n f"era ,el "nto ,e ,ise:o

Carater-stias No son o"lares en aliaiones aeron%"tias a esar ,e s"s altas relaiones ,e o$resi/n or etaa ;era ,e >?+< ="en ,ese$e:o f"era ,el

"nto ,e ,ise:o. 6a ,e0ei/n entre etaas inre$enta las 'r,i,as ,e resi/n total y a"$enta el Co$resor entr-f"go en siste$a ,e ro"lsi/n riesgo ,e searai/n ,e aa l-$ite. F"entes? Priniles of t"r#o$ahinery in air(#reathing engines 5 =as@harone8 E.

Co$onentes Impulsor: incrementar el nivel de energía del fuido incrementan do su momento angular

Diusor: convertir la

en er gí  a cin éti ca de l fu id o en en er gí  a de pr esi ón

Voluta: recolectar el fuido proveniente del diusor y conducirlo a la descarga

Etaa ra,ial ;Co$resor< ;+A2<

Presi/n ,in%$ia Presi/n est%tia Vista $eri,ional ,e "na etaa ,e o$resor ra,ial Entra,a aial Sali,a ra,ial

F"ente? Fl"i, $ehanis an, ther$o,yna$is of t"r#o$ahinery 5 3ion8 S.

Etaa ra,ial ;Co$resor< ;2A2<

C

2

C+

F"entes? Priniles of t"r#o$ahinery in air(#reathing engines 5 =as@harone8 E.

Vista Meri,ional y 3iagra$a h(s * ) 2

B

+

Vista Meri,ional y 3iagra$a h(s Fl"!o tri,i$ensional8 $"y o$le!o roi$ai/n tri,i$ensional? el 0"!o er$anee "nifor$e en iertas seiones ,e 0"!o. Estas seiones se en"entran? ntes y ,es"'s ,el i$"lsor Entra,a y sali,a ,e la $%&"inas

Si eisten %la#es g"-as a la entra,a ara in,"ir "na re(rotai/n ,el 0"i,o a la entra,a ,el i$eler ya el enfo&"e no es %li,o

Canal ,e Entra,a

1

2

h0 +  C 0 = h1

1

El 0"!o se aelera ,e B a + y la resi/n est%tia ae ,e PB a P+ Co$o el roeso es a,ia#%tio

h Dh BB

B+

2

+  C 1 2 2

1

 C 02

2

 Tri%ng"los ,e Veloi,a,es 2

m = r 2 + z 2

r

+

1

C+ D C+ b+



+

U+

U+

Rotal-a 6a rotal-a8 &"e es "na ontrai/n ,e ental-a rotaional ,e estana$iento8 en "na roie,a, ,e $e%nia ,e 0"i,os ,e i$ortania en el est",io ,el 0"!o en las $%&"inas rotantes. 6a e"ai/n ,e E"ler se "e,e reesri#ir? DH0 =D(UCq   ) I

= H0 - UCq 

En t'r$inos ,e ental-a est%tia 1

I = h +  C 2 -UC q 

2

I$"lsor ;+A)< C 2 = C r 2 + C q2  + C  x2

Fl"!o tri,i$ensional

Usan,o la e"ai/n ,e Rotal-a I = h +

1

Cx 2

2

2

(C r  + C q  + C  x - 2UC q  )

2  Manipulando

1U 2 2

 I = h + 1 (U 2 - 2UC q  + C q2  )+ 1 (C r2  + C  x2 -U 2 ) = h + 1 (U - C q  )2 + 1 (C r2  + C  x2 -U 2 ) 2

2

2

2

I$"lsor ;2A)< 3e los tri%ng"los ,e eloi,a,es U - C q  = W q  W

2

= C r2  +W 2q  + C  x2

C

2

Se tiene

2

C

U

r

2

 I = h + 1 (W 2 -U 2 )



q2

2

C

q2

2 h = h + 1 W 2 0rel  2

Co$o I+ D h - h = (U 2 -U  2 ) (W  2 -W 22 ) 2 1 + 1 I2

2

1

2

2

I$"lsor ;)A)< En general8 en la entra,a ,el o$resor la eloi,a, a#sol"ta no tiene o$onente tangenial Cq+8 ara este aso

DW = U 2C q 2 = h02 - h01 6os o$resores ,e alta relai/n ,e o$resi/n8 re&"ieren ,e re(rotai/n ,el 0"!o a la entra,a ,el o$resor ara re,"ir las altas eloi,a,es relatias8 &"e rooan efetos ,e n$ero ,e Mah. Para esta#leer esta re(rotai/n se instalan "na hilera ,e %la#es g"-as ag"as arri#a ,el i$"lsor

Efeto entr-f"go y Efeto ,e la ,if"si/n h - h = 2

+

1

(u 2 - u 2 )

2

2

El ri$er t'r$ino orreson,e a la transferenia ,e energ-a ,e#i,o a las f"er1as2 entr-f"gas a $e,i,a &"e el 0"i,o se ,esla1a en ,irei/n ra,ial Este t'r$ino es ,esreia#le en las t"r#o$%&"inas aiales8 ero en las ra,iales y $itas es $"y i$ortante or ,os ra1ones? Contri#"ye ,e for$a signi4atia a la transferenia ,e energ-a ;alre,e,or ,el *B ,el a"$ento ,e resi/n en "na etaa t-ia ,e o$resor ra,ial roiene ,e este efeto< 6a energ-a transferi,a or este $eanis$o no tiene 'r,i,as asoia,as El t'r$ino (W  -W  ) orreson,e a la ,if"si/n ,e la eloi,a, relatia 2

12

22

1

2

F"entes? T"r#o$ahinery ,esign an, theory 5 3e@@er M. Presentaiones ,e la asignat"ra t"r#oo$resores y entila,ores ,e la Uniersi,a, ,e St"ttgart

Fator ,e ,esli1a$iento ;+A*< Para g"iar el 0"i,o ,e for$a erfeta en la trayetoria ,esea,a es neesario tener "na anti,a, in4nita ,e %la#es. En las t"r#o$%&"inas reales8 el efeto ,e tener "na anti,a, 4nita ,e

%la#es se re0e!a en ,esiai/n ,el tri%ng"lo ,e eloi,a, ,e ,ise:o a la sali,a

N/tese la ,esiai/n on reseto al

%ng"lo ,e ,ise:o

,el rotor

F"ente? T"r#o$ahinery erfor$ane analysis 5 6e7is8 R.

Fator ,e ,esli1a$iento ;2A*< Esta ,esiai/n se ,e#e a la o$#inai/n ,el $oi$iento ra,ial on la rotai/n ,el ro,ete. Si se o#sera el $oi$iento ,e "na art-"la ,e 0"i,o ,es,e "n siste$a ,e refenia 4!o al rotor se ,eteta la resenia ,e "n /rtie relatio.

Reorri,o ,e art-"la ,e 0"i,o isto or o#sera,or inerial O#sera,or 4!o al rotor

Fator ,e ,esli1a$iento ;)A*< Co$o $"estra la seg"n,a for$a ,e la e"ai/n ,e E"ler8 este a"$ento ,e eloi,a, relatia a la sali,a ,is$in"ye la transferenia ,e tra#a!o. Para "anti4ar este efeto se "sa el fator ,e ,esli1a$iento? s=

velocidad periféricadel fluido c q  2 velocidad periféric con flujo perfectamente guiado c q  2

Eisten ,iferentes $'to,os ara ,eter$inar el fator ,e ,esli1a$iento. Por e!e$lo8 la orrelai/n ,e iesner ara o$resores?

 Cs se le lla$a eloi,a, ,e ,esli1a$iento F"entes? Presentaiones ,e la asignat"ra t"r#oo$resores y entila,ores ,e la Uniersi,a, ,e St"ttgart

Fator ,e ,esli1a$iento ;*A*< Otras orrelaiones? Sto,ola ;+9*>< s

= 1-

(p / Z ) cos b ' 2

1-f 2 tg b  '2

f 2 =

C r  2 U2

Stanit1 ;+9>2< s = - 0,63p / Z  1

1-f 2 tg b  '2

f 2 =

C r  2

U2

Consi,eraiones a la entra,a ,el rotor ;+A)< El ,ise:o a la entra,a ,el rotor est% s"!eto a la $agnit", ,e la $%i$a eloi,a, relatia en el o!o ,el i$"lsor ;l-nea ,e 0"!o $%s ale!a,a ,el e!e ,e rotai/n8 ,on,e el 0"!o s"fre la $ayor ,esaelerai/n< Eiste "n ,i%$etro eterior /ti$o a la entra,a ara el "al la eloi,a, relatia se hae $-ni$a ya &"e? Un ,i%$etro gran,e i$lia #a!a eloi,a, $eri,ional8

ero elea,a eloi,a, erif'ria U. Un ,i%$etro e&"e:o i$lia alta eloi,a, $eri,ional8 ero #a!a eloi,a, erif'ria U. F"entes? Presentaiones ,e la asignat"ra t"r#oo$resores y entila,ores ,e la Uniersi,a, ,e St"ttgart

Consi,eraiones a la entra,a ,el rotor ;2A)< Se "e,e $ostrar &"e el ,i%$etro /ti$o a la entra,a est% asoia,o a? b »- ° 60

1t 

f 1t  =

C  x1t 

U 

= 0.6

 1t 

3on,e el s"#-n,ie +t in,ia

la "nta ;ti< ,el %la#e a la entra,a.

3esiaiones ,e hasta >H oasionan ariaiones relatia$ente e&"e:as en la $agnit", ,e la eloi,a, relatia $%i$a a la entra,a F"entes? Presentaiones ,e la asignat"ra t"r#oo$resores y entila,ores ,e la Uniersi,a, ,e St"ttgart

Consi,eraiones a la entra,a ,el rotor ;)A)< 6a for$a ,el anal ,e entra,a tiene "n efeto i$ortante so#re el er4l ,e eloi,a,es a la entra,a. 6a o$onente $eri,ional se "e,e asoiar al ra,io $e,iante?

Entra,a aial

Entra,a o#li"a

F"entes? Presentaiones ,e la asignat"ra t"r#oo$resores y entila,ores ,e la Uniersi,a, ,e St"ttgart

C"rat"ra ,e %la#es 3e a"er,o a la ,irei/n ,e la eloi,a, relatia on la ,irei/n ra,ial8 los %la#es se lasi4an en? "ra,os haia a,elante ; BH<8 ra,iales ; DBH< / "ra,os haia atr%s ; JBH<

Fator ,e arga ;+A2< y

El fator ,e arga ,e "n o$resor ra,ial "e,e ser esrito o$o? y = Dh = C  - U C  U2 U  2 U 2 U  2 0

q 

 2

1

2

 K ara entra,a "ra$ente aial?

q 

1

= C  q 

2

U  2

CC

qq22



q2

C

r2

N/tese &"e la eloi,a, relatia y el %ng"lo 2 $ostra,os en la 4g"ra son negatios ;%la#es "ra,os haia atr%s<

Fator ,e arga ;2A2< C"an,o la entra,a es "ra$ente aial8 el fator ,e arga "e,e ser eresa,o en f"ni/n ,el fator ,e 0"!o o$o?

y

CrAU2 c

r2

y = 1 +

tg (b 

U   2

2

)

Para %la#es $"y "ra,os haia atr%s ; JJBH<8 el fator ,e arga ,is$in"ye r%i,a$ente al a"$entar el fator ,e 0"!o. En la 4g"ra se $"estra el fator ,e arga en f"ni/n ,el fator ,e 0"!o ara ,istintas "rat"ras.

Carater-stias ,e %la#es "ra,os haia atr%s Venta!as? Rango ,e tra#a!o esta#le $%s a$lio Menor eloi,a, a#sol"ta a la entra,a ,el ,if"sor ;$enores 'r,i,as< Mayor ori/n ,e a"$ento ,e resi/n en el rotor ;$ayor e4ienia graias a efeto entr-f"go<

3esenta!as? Menor fator ,e 0"!o ;$enor a"$ento ,e resi/n<

Menores eloi,a,es ,e giro er$isi#les ,e#i,o a argas entr-f"gas en los %la#es

6os %la#es "ra,os haia atr%s er$iten $ayores e4ienias y a$os ,e oerai/n $%s a$lios

3if"sor ;+A)< Eisten o$resores entr-f"gos en los &"e no tengan ,if"sor8 la ,if"si/n se reali1a en el esaio an"lar

Otra f"ni/n ,el ,if"sor es

 Tios ,e 3if"sores

en,ere1ar o re(,ireionar el 0"!o ara las etaas s"#(sig"ientes

3if"sor ;2A)< 3os ro#le$as en ,if"sores?  Ten,enia % la searai/n ,e la

q aa

l-$ite si la tasa ,e

,if"si/n

es $"y alta8 res"ltan,o en gran,es 'r,i,as ,e resi/n ,e estana$iento y $e1la ,e 0"!o. Si la tasa ,e ,if"si/n es $"y #a!a8 las are,es ,el anal son $"y largas y las 'r,i,as or frii/n se onierten en eesias

qot D

LH " H

3if"sor ;)A)< h =h 01

h2 +

1

 C 22

02

1

= h3 +  C 32

2

2

E4ienia ,el ,if"sor h

=

h -h

( C 2 - C 2 ) (T  T  -1) 2 = ( 3  s 2 ) = 3 s 2

3 s

 D

 h3 - h2 C 32 - C 22 (T 3 T 2 -1)  P  g -1 g 

 P 

3

h

 D

=

2

-1

Fator ,e re"erai/n  P 03 ,e  P  resi/n total 02

Gra,o ,e reai/n Reor,e$os &"e el gra,o ,e reai/n relaiona el a$#io ,e ental-a est%tia en el rotor on reseto al ,e la etaa o$leta y &"e "e,e ser esrito en f"ni/n ,e las eloi,a,es ,e la sig"iente for$a? Para "n o$resor? (u 2 - u 2 )+ (w2 - w2 )

=  R

(

compresor 

2

+

-

+

1 (1 ) (2 2 2 2 2 2 2 c  c  u  u  w  w -

)

2 1 2 1 1 2

-

)

E4ienia htt  = f (f ,y , r 2 , 2 ,z  ¥ , #e2 ) r 1

1

6a relai/n ,e ra,ios r  ;sali,aAentra,a< 6a relai/n ,e   reas El oe4iente ,e 'r,i,as ,el rotor z  ¥  

2

1

El n$ero ,e Reynol,s ,e la $%&"ina #e2

3e estos ar%$etros8 el fator ,e 0"!o8 el fator ,e arga8 la relai/n ,e ra,ios y la relai/n ,e %reas son elegi,as en el ,ise:o. l 4!ar estos ar%$etros se 4!an las 'r,i,as y la e4ienia

F"ente? T"r#o$ahinery erfor$ane analysis 5 6e7is8 R.

P'r,i,as ;+A*< ,e$%s ,e las 'r,i,as aero,in%$ias8 en los o$resores entr-f"gos son i$ortantes las 'r,i,as or frii/n en el rotor y las 'r,i,as or reir"lai/n. En la 4g"ra se $"estra la e4ienia y la ontri#"i/n ,e las

'r,i,as ara ,iferentes fatores ,e 0"!o en "n o$resor. F"entes? Presentaiones ,e la asignat"ra t"r#oo$resores y entila,ores ,e la Uniersi,a, ,e St"ttgart

P'r,i,as ;2A*< P'r,i,as or reir"lai/n? Un interstiio entre el rotor y la arasa es ineita#le. 6a $agnit", ,el interstiio ,een,e ,e la ali,a, ,e los roesos ,e fa#riai/n8 ,e la eansi/n t'r$ia y ,e la rigi,e1 ,e la $%&"ina.

F"entes? Presentaiones ,e la asignat"ra t"r#oo$resores y entila,ores ,e la Uniersi,a, ,e St"ttgart

P'r,i,as ;)A*< 6os sellos la#er-ntios son ,e "so o$n ara eitar el 0"!o entre ,os reintos on nieles ,e resi/n ,istintos. El 0"!o ,e f"ga es t-ia$ente +(2 ,el 0"!o $%sio total.

F"entes? Presentaiones ,e la asignat"ra t"r#oo$resores y entila,ores ,e la Uniersi,a, ,e St"ttgart

P'r,i,as ;*A*< 6a energ-a &"e el rotor otorga a fraiones ,el 0"!o &"e reir"lan y &"e es neesaria ara s"erar la frii/n onstit"ye 'r,i,as. En "na etaa nor$al se ier,e alre,e,or ,e 2 ,e e4ienia or este $eanis$o.