TURBOMAQUINAS
TURBOMAQUINAS
Claudio Claudio Mata Mataix ix Doctor Doctor e n Ciencias Ciencias Físicas Físicas Ingeniero por la Universidad de Notre Dame, Indiana. Profesor Emérito de Turbomáquinas en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Electromecánicos del Con la colaboración de ANTONIO ARENAS Ingeniero Industrial del
Turbinas de vapor Turbinas de gas Turbocompresores
edición
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TURBOMAQUINAS
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No está permitida la reproducción reproducción total o parcial de este Libro. Libro. ni su tratamiento informático, ni la transmisión de ninguna forma o por cualquier medio, ya se tronico, mecánico, por fotocopía, por registro u otros métodos, sin el permiso pre vio vio y por escrito d e los titulares del Copyright "
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O
by Claudlo CIE. SL. DOSSAT
2000
124 124
(España) 237 0727 X ISBN: 84 237 Depósito Legal: Pnnted in Spain (Impreso en España) -
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catedráti co de la "A la memoria de mi padre, catedrático Escuela de Ingenieros Industriales y del I.C.A.I., y a todas las promociones del I.C.A.I., que es cucharon de viva voz estas lecciones. EL AUTOR
PROLOGO A LA SEGUNDA EDICION
Esta segunda edición sale a la luz poco después de cumplirse el primer cente nario de la construcción de la primera TV. (198 3). En los quince años que median entre ésta y la primera edición la evolución en la construcción de las TM ha sido considerable: los turbocompresores invade invaden n más y más el campo de los números números específicos de revoluciones bajos, antes reservado a los compresores alternativos; las turbinas de gas, utilizando combustibles más baratos y mejorando su rendi miento, encuentran nuevas aplicaciones y las turbinas de vapor reinan más y más en el campo de la producción de energia eléctrica, al disminuir en casi todos los países la proporción de energia hidroeléctrica (en 1983 en España descendió al y aumentar la proporción d e ene rgi a térmica, qu e utiliza casi casi excl exclus usiv ivaa mente la (el mismo mi smo a ño en España la de combustible fósil alcanzó alcanzó el y la de combusti ble nuclear el Terminada la primera edición de esta obra se desencadenaba en el mundo la crisis del petróleo (1973) junto con la crisis energética, que diez después (1983) empezaría a remitir. El influjo de esta doble crisis fue positivo y rante, por ejemplo, en el desarrollo de máquinas cada vez de mayor rendimiento y negati negativo vo o fr en ant e, po r ejemplo ejemplo,, en la falta de interés por las las TV de muy gran gran potencia. Las grande grandess empresas constructoras de TV no pudieron utiliz utilizar ar las nuevas instalaciones para la fabricación de TV de muy gran potencia, a causa de la falta de demanda de estas unidades. Al mismo tiempo crecía el interés por la cogeneración de calor y electricid electricidad ad y p or las las centrales combinadas de TV y TG. La tendencia al estudio unificado de todas las turbomáquinas, que impulsó PFLEI PF LEI DER ER desde su cátedra d e Braunsc Braunschw hweig eig y con co n su excele nte' obra mungsmaschinen (Turbomáquinas) publicada en 1952, continúa hasta el pre sente'. "
Desde Desde qu e la luz pública la primera edición edición d e mi obr a Turbomáquinas Tér micas la he venido utilizando como libro de texto en mis clases de nas; de manera que esta segunda edición de mi obra nace del contacto directo co n mis alumnos, alumnos, q ue me ha n ayudado a aclarar aclarar mult itud d e conceptos conceptos y corr correg egir ir (1) En 1980 Pfleiderer Pfleiderer a los 80 a ños. Su libro fue traducido al al turco en 19 78 , al por portugués en 1979, y en 1985 al italiano. La quinta y edición de esta obra clásica, nuevamente ment e corregida corregida y aumentada aumentada ha sido publicada por Petermann Petermann en Sprin Springer ger en 1 98 6, 573 5 73 págs.
A LA SEGUNDA
del campo de aplicación de los TC, etc. han exigido variaciones en dichos paráme tros, que ha habido que recoger en esta segunda edición. Tal ocurre, por ejemplo, con la relación longitud radial de los álabes (TV) hasta 1200 -1400 mm; velocidades periféricas máximas en el escalonamiento coeficientes de caudal y de presión (TC); de rotación (TC); relaciones de compresión por escalonamiento y por cuerpo, presión final hasta 600 bar máxi mo (TC); extensión de la zona de utilización a velocidades especificas menores (TC); temperatura a la entrada de la TG de 600 hasta 1300 etc. ...
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En general en esta segunda edición se han procurado recoger tanto los valores normales como los valores extremos de aquellos parámetros que presentan mayor interés para el diseño y funcionamiento de las TM. Entre éstos figuran los rendi(TC), exponentes n de la politrópica con o sin refrigera mientos, los ángulos ción (TC), factor de disminución del trabajo e, (TC), relaciones de compresión (TC), máxima de las TG, temperatura máxima de las cámaras de combustión, relación de potencias (TG), grado de reacción máximo (TM), pérdidas intersti ciales, pérdidas por rozamiento de disco y ventilación, rendimientos mecánicos, rendimiento de la caldera (TV) y de la cámara de combustión (TG), consumos de calor y de vapor, etc ... etc... Se discute por su interés la potencia máxima realizable por unidad en una TV, qu e podria alcanzar los 5000 MW; aun que por razones no tecnológicas, sino económicas y políticas, que se aducen en el te xto, n o se han excedido hasta el presente los 1200 A
tftulo de ejemplo, el lector encontrará en el te xt o: (TC) 450 coeficiente de caudal (TC): a 0,5 (TC): 3 5 a 90 rpm (TC): 3000 a 25000; TC axiales: 50 bar máx, 60000 m 3 idem TC radiales: 60 0 bar 60 m 3 TG industriales: 900 rendimiento ener gético combinado (cogeneración) e tc... etc... "
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8. nueva del Cap. 25, 'Tendencias actuales en el desarrollo de las turbomáquinas térmicas . La materia del antiguo Cap. 25 se ha distribuido por los restantes capftulos del t ext o, ya que dicha materia n o constituia ya novedad al guna en la segunda edición. En su lugar se recogen en el nuevo Cap. 25, las tenden cias que apuntan para el futuro, tanto en la evolución de las turbomáquinas, como en la de las centrales térmicas (centrales de carbón y centrales nucleares, cogeneración y centrales combinadas de vapor y electricidad), junto con el desa rrollo de cinco tecnologías, de cuya futura evolución dependerá en gran parte la evolución de las centrales eléctricas y las mismas TV: gasificación y liquidación del vapor, desulfuración y desnitrificación del medio ambiente y calderas de lecho fluidizado. "
9. Incremento de la bibliografía. Se ha retenido en gran parte la bibliografía de la primera edición y se ha añadido una bibliografia de la segunda edición, que contiene los libros y artfculos más interesantes sobre la materia publicados en los últimos quince años, ordenados por materias y por orden alfabético dentro de cada materia.
PROLOGO DE LA PRIMERA
versa en un rotor, y se componen de órganos que desempeñan muchas veces funciones análogas. Un estudio unificado, con una tendencia moderada a utilizar para los mismos conceptos las mismas definiciones y la misma nomenclatura, y a emplear siempre que sea posible los mismos parámetros de diseño, conduce máticamente a muchas zonas de coincidencia, y reduce en un tanto por ciento considerable la zona de peculiaridades de cada máquina que exige un tratamiento especial. Aunque esta visión de conjunto es primordial. en este libro, hemos procurado constantemente presentar primeros planos de cada máquina y de sus detalles, a fin de q ue ninguna máquina pierda su individualidad. Es decir, no nos hemos dejado llevar de un apasionante vértigo de la unificación, porque las máquinas que aquf estudiamos tienen su historia que hay q ue respetar, si se quiere evitar la confusión que una sfntesis teórica excesivamente elaborada en el ingeniero acostumbrado a los libros redactados sin este criterio unificador, además de exigir un excesivo esfuerzo de a los alumnos. Las siglas de la pág. XXXI con que se designa cada máquina o cada grupo de máquinas, se utilizan constantemente en el libro para establecer comparaciones y elaborar sfntesis. Asf, por ejemplo, hay fenómenos, como los que conducen al factor de disminución de trabajo, que son propios de los turbocompresores, y de las turbomáquinas hidráulicas denominadas bombas y ventiladores, tqdas las cuales integran el que denominamos turbomáquinas generadoras (sigla TMG). Lo mismo se diga de la disminución del rendimiento inherente a todo proceso de difusión, como el que tiene lugar en el rodete y en la corona directriz las TMG. Otros fenómenos son de las turbinas de vapor (sigla TV), como son los relacionados con la gran variación del volumen especifico, que adquiere proporciones gigantescas en estas máquinas. Otros fenómenos, tales como la posibilidad de aprovechar un gran salto entálpico por escalonamiento, y de admitir sin disminución del rendimiento un gran ángulo d e desviación de la corriente, son comunes tanto a las turbinas d e vapor como a las turbinas de gas, es decir, a todas las turbinas térmicas (sigla TT), y asi sucesivamente. La fuerza del método consiste en la facilidad con que el lector se acostumbra a este tipo de razonamiento y a elaborar sus propias sintesis. Hemos creido interesante añadir, si bien en letra pequeña, algunas interrelaciones de las turbomáquinas con las hidráulicas. De la lectura del indice de materias se desprende fácilmente que de los veinticinco capftulos, de que consta la obra, diez tratan de todas las turbomáquinas tér micas, cuatro de'las turbinas térmicas (turbinas de vapor y turbinas de gas), dos de las turbinas de vapor, cuatro de las turbinas de gas y tres de los turbocompresores. El capitulo 1 es una introducción y el 2 un resumen de termodinámica, cuya muchas veces podrá omitirse; pero que creemos puede servir para refrescar los conceptos básicos. -
Tal vez sea este libro el primer libro español que emplea Mecánica el sistema de unidades denominado hoy corrientemente sistema
o en
penden de la fuerza de la gravedad y quede excluido precisamente en el término correspondiente a la energía potencial gravitatoria. Lo contrario sucede en el SI, con la coincidencia feliz de que el término zg suele jugar un papel muy secundario en los problemas relacionados con las turbomáquinas térmicas, con lo cual la constante g 9,8 1 es la tercera constante que queda prácticamente eliminada de todas las fórmulas. =
La adaptación al S1 es fácil en el Ingeniero acostumbrado a las viejas unidades y a su orden de magnitud si se tiene en cuenta que 1 bar es aproximadamente 1 at (exactamente 1 at 0,980665 bar) y 1 es aproximadamente la cuarta parte de 1 kcal (exactamente 1 4,1868 Porque creemos que pedagógicamente es importante que los conceptos básicos y sus relaciones mutuas queden reflejadas en un sistema armónico de símbolos y subíndices, hemos hecho un esfuerzo por conseguir una nomenclatura clara y coherente en todo el libro, a cuya lista, que se encuentra al comienzo de la obra podrá el lector. de poder ofrecer a nuestros lectores una visión moderna del esta do de la técnica en este campo, nos pusimos en contacto con las principales casas constructoras de estas máquinas en Estados Unidos, Inglaterra, Francia, Italia, Suiza, Suecia, Alemania y Japón. Gracias a la abundantisima información recibida de estas empresas, a las cuales expresamos desde nuestro agradecimiento, podemos ofrecer hoy a nuestros lectores, una selección de datos correspondientes a las realizaciones más recientes. En la bibliografla hemos seleccionado sólo los libros y algunos artículos que tocan expresamente los temas desarrollados o al menos esbozados en nuestra obra, ofreciendo de esta manera al lector una colección moderna de trabajos de referen cia y ampliación de las materias tratadas. Esperamos que la selección de cincuenta problemas resueltos incluidos en el libro a los cuales hemos añadido siete anteproyectos de máquinas que ilustran los mét odos más importantes desarrollados en el texto, serán de gran utilidad. Sin la entusiasta colaboración de mis alumnos de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros del I.C.A.I. de las tres promociones, y en particular de la del año 1971, hubiera sido para m i mismo mucho más laboriosa la publicación de esta obra. A todos mis colaboradores mi testimonio de amistad y agradecimiento. Quiero agradecer en particular la valiosa ayuda prestada por los Ingenieros del I.C.A.I. Sr. Unzo en la confección de las figuras del texto, Sr. Conde que bajo mi dirección el proyecto cuarto incluido en el texto, y sobre todo al Sr. Ga vela por su minuciosa colaboración en la revisión final del original y de las figuras y problemas. Asimismo quiero expresar mi agradecimiento al Departamento de Publicaciones del I.C.A.I. Finalmente y en lugar de honor quiero destacar la inestimable cooperación y apoyo incondicionales recibidos de EDITORIAL DOSSAT, S. A. para resolver las dificultades que de todo tipo han surgido a lo largo de la edición de este libro. EL AUTOR,
INDICE DE MATERIAS
PROLOGO DE LA SEGUNDA EDICION. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PROLOGO DE LA PRIMERA EDICION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . NOMENCLATURA EMPLEADA CUADRO DE UNIDADES DE LOS SISTEMAS 'INTERNACIONAL Y TECNICO 1. INTRODUCCION 1.1. Clasificación de las máquinas de fluido. Definición de quina 1.2. Primera clasificación de las turbomáquinas 1.3. Definición de turbomáquina térmica 1 . Segunda clasificación de las turbomáquinas 1. Dirección del flujo en el rodete de un a turbomáq uina. . . . . . . . . . . 1.6. Tercera clasificación de las turbomáquinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7. Resumen de la clasificación de las .............. 1.8. Breve descripción de las turbomáquinas .......... .... 1.8 1 .
.
1.8.2. 1.8.3.
Turbocompresores Turbinas de vapor Turbinas de gas
1.9. Breve resumen de la propulsión a chorro y de las aplicaciones aeronáuticas de la turbina de gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 'Problemas
. RESUMEN DE TERMODINAMICA
2
.
2.1. Estados de equilibrio de un fluido y procesos termodinámicos . . . . 2.2. Propiedades fundamentales de los fluidos 2.2.1. 2.2.2. 2.23
2.3.
.
Temperatura Presión Densidad, peso específico, peso específico relativo y volumen específico
El gas perfecto y el gas real. 2.3.1. 2.3.2. 2.3.3.
de estado
El gas perfecto y el gas real de estado de los gases perfectos Ecuación de estado de los gases reales
2.4. Energias 2.4.1.
Energías almacenadas 2.4.1.1 . Energía interna 2 Energía potencial gravitatoria 2.4.1.3.
2.4.2.
Energías de tránsito 2.4.2.1. Trabajo de flujo 2.4S.2. Trabajo mecánico 2.4.2.3 Calor
.
.
....... ...... ....... .
X
XXXII
INDIC E D E MATERIAS
2.1 5
2.16. 2.1 7. 2.18. 2.19. 2.20.
0.
Nuevo enunciado del segundo principio. o principio de aumento .................................... de la 1.Aumento de la energía no utilizable de un sistema . Nuevo enun ciado del segundo principio o principio de la degradación de la energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Tercer principio de la termodinámica Tablas y diagrarnas del aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .... Propiedades del vapor de agua. Tablas y diagrama de Velocidad del sonido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Propagación de la onda sonora u onda producida por una pe queña perturbación 2.21. Laondadechoque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3. EL CICLO BASICO DE LAS TURBINAS DE VAPOR 3.1. Introducción 3.2. El ciclo de de agua 3.3. El ciclo de Rankine o ciclo básico ideal de las turbinas de vapor . . . 3.4. Elevación del rendimiento del ciclo de Rankine con el aumento de la presión inicial de la expansión 3.5. Elevación del rendimiento del ciclo de Rankine con el aumento de la temperatura inicial de la expansión 3.6. Elevación del rendimiento del ciclo de Rankine con la disminu ción de la presión final de la expansión 3.7. Balance energético del ciclo real de las TV. Rendimientos . Consumos de vapor y de calor Problemas
4. EL CICLO BASICO DE LAS TURBINAS DE GAS 4.1. Introducción 4.2. El ciclo abierto de Brayton o ciclo ideal de las 4.3. El ciclo abierto real de Brayton o ciclo básico real de las TG 4.3.1.
4.3.2.
Consideración de las pérdidas en la turbina y en el compresor so lamente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 .1. El rendimiento interno del motor -TG sin tener en cuent a las pérdidas en los conduct os . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1.2. en función de y 4.3.1.3. en función de y t, 4.3.1.4. y en función de 4.3.1.5. El tamaño del motor - TG en función de los rendimientos in ternos de la turbina y del compresor . . . . . . . . . . . . . . . . . El rendimiento interno del motor -TG teniendo en cuenta las pérdidas en los conductos antes y después de la turbina
Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. TRANSFORMACION DE ENERGIA EL RODETE 5.1. Introducción
Y DE FLUIDO EN
INDICE DE
1 1. DIFUSORES 1 1.1. Introducción 1 1.2. Rendimiento de un difusor 11.3. El difusor supersónico 12. CLASIFICACION DE LQS TC. REERIGERACION DE LOS TC. ESTUDIO Y PROYECTO DEL TC RADIAL 12.1. Introducción 12.2. Clasificación de los TC. Comparación entre los TC radiales y axiales .12.3. Descripción del TC centrffugo 12.4. Aplicaciones de los TC centrffugos y 12.5. Relación de compresión de un escalonamiento adiabático de TC centrffugo 12.6. Tipos de refrigeración de los TC centrifugos y axiales 12.7. Refrigeración interna de los TC centrffugos y axiales: diagramas Ts y pv de la compresión adiabática y de la compresión refrigerada interna. Rendimientos adiabático e 12.8. Refrigeración externa de los TC centrffugos y axiales 12.9. Selección del ángulo de salida de los en un rodete radial de baja presión 12.10. Factor de disminución de trabajo de los TC centrffugos 12.1 1. Procedimiento de cálculo de un TC radial 5: 12.12. radial de un escalonamiento (turbosoplante) . . . Problemas 13. BREVE ESTUDIO DE LAS TV RADIALES 13.1. Introducción 13.2. TV de giro único 13.3. TV de contragiro (turbina Ljungstrom) 13.4. TV mixta radial-axial 14. PROYECTO AERODINAMICO DE LAS TM AXIALES 14.1. Introducción 14.2. Nomenclatura del perfil de ala de avión aislada y en enrejado . . . 14.3. Empuje ascensional y arrastre en un perfil aislado 14.4. Empuje ascensional y arrastre en un aislado.de luz infinita 14.5. Empuje ascensional de un perfil en enrejado en un gas ideal: teorema de Joukowsky 14.6. Empuje ascensional y arrastre de un en enrejado en un gas real 14.7. Corrección del perfil aislado de luz infinita por influjo del enre jado 15. PROYECTO DE LOS ALABES CON TORSION DE LAS TMT AXIALES 15.1. Introducción ...................... 15.2. Ecuación fundamental del de un álabe con torsión, o ecuación diferencial del equilibrio radial. .. .. . .. . .. .. . .. . ..
INDICE DE MATE RIAS
1 8.3. Ciclo de compresión isotérmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.4. Ciclo de expansión isotérmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.5. Ciclo de compresión y expansión isotérmicas 18.6. Ciclo fundamental o ciclo de refrigeración intermedia 18.7. Ciclo fundamental o ciclo de recalentamiento intermedio . . . 18.8. Ciclos abiertos de TG 18.9. Ciclos cerrados de TG 18.10. Ciclos de motores combinados . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.1 1 . Cogeneración con TG: Sistemas de energfa total . . . . . . . . . . . . TG. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Problemas 19. LA COMBUSTION EN LAS TG 19.1. Estudio de la combustión 19.1.1. Poder calorffico de un combustible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1.2. Cantidad de aire estrictamente necesaria para la combustión por de combustible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1.3. Coeficiente de exceso de aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ecuación de la cámara de combustión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1 .5. Propiedades termodinámicas de los gases de combustión . . . . . . . 19.1 .5 . Función para corrección de entalpfas . . . . . . . . . . 19.1.5.2. Diagrama universal del aire y productos de combustión . 19.1.5.3. Tablas de gas
19.2. Combustibles utilizados en las TG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.3. Cámaras de combustión de las TG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.3 .1. 19.3.2. 19.3 3. 19.3 .4. 19. 3.5.
Exigencias a que debe satisfacer una cámara de combustión . . . . . Esquema básico de una cámara de combustión Cámaras de combustión de los turborreactores . . . . . . . . . . . . . Inyectores de las TG Cámaras de combustión de las TG industriales Proyecto y parámetros fundamentales de la cámara de combustión
20. LOS REGENERADORES DE LAS TG 20.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.2. Tipos de regeneradores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.2 .1 . Regeneradores tubulares Regeneradores de placas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 .3 . Regeneradores rotativos
20.3.' Proyecto de un regenerador
............. .........
20.3.1. Cálculo de la superficie total de un intercambiador de calor 20.3.2. Cálculo de las perdidas hidráulicas
20.4. Conclusión 2 1. CONSTRUCCION DE LAS TMT 21.1. El rotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1
Discos . . . . . . . . . . . . . . . 21.1.1 .1. Tipos diversos 2 1.1.1 .2 Resistencia
.............. .............
DE MATERIAS
23.2. Funcionamiento de las TV fuera del punto nominal 23.2.1. Cono del gasto de vapor 23.2.2. Curva de la potencia en función del gasto de vapor 23.3.
..........
Funcionamiento de las TG fuera del pun to nominal . . . . . . . . . . 23.3 .1. Grupos de un solo eje 23.3.1.1. 23.3.1.2. Esquema 23.3.2. Grupos de dos ejes con un compresor y dos turbinas 23.3.2.1. Ciclos no. regenerativos . recalentamiento entre las dos turbinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.3.2.2. Ciclos regenerativos y ciclos con recalentamiento entre las dos turbinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 .3 3. Grupos de dos ejes con dos compresores y dos turbinas
24. REGULACION DE LAS TMT 24.1. Regulación de los TC 24.1.1. Regulación de los TC en la zona estable . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.1.1 .1. Regulación por estrangulamiento en la impulsión. . . . . 24.1.1.2. Regulación por estrangulamiento en la aspiración . . . . 24.1.1.3. Regulación por variación del número de revoluciones . . 24.1.1.4. Regulación por orient ación de los álabes fijos . . . . . . . 24.1.1 . Regulación por orientación de los álabes móviles . . . . . 24.1.1.6. Regulación por by -pass de uno o varios estrangula mientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.1.2. Regulación de los TC en la zona inestable 24.1.2.1. Regulación por expulsión de gas al exterior . . . . . . . . 24.1.2.2. Regulación por retorno del gas a la aspiración . . . . . . . 24.1.2.3. Regulación por desconexión del TC de la red . . . . . . .
24.2. Regulación de las TV 24.2.1. 24.2.2.
Introducción de regulación de la potencia de la ............. 24.2.2.1. Regulación por estrangulamiento o regulación cuali tativa Regulación por variación del grado de admisión o re gulación cuantitativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.2.2.3. Regulación mixta 24.2.2.4. Regulación por by -pass de uno o varios escalonamientos 24.2.3. Fines de la regulación 24.2.3 .1. La regulación para mantener un número de revolucio nes constante 24.2.3.2. La regulación para mantener una presión constante . . . 24.2.4. Aparatos de regulación 24.2.5. Esquemas de regulación 24.2.5.1. Esquema de regulación de una TV de extracción . . . . . 24.2.5.2. Esquema de regulación de una TV de condensación TML 24.2.5.3. Esquema de regulación de una TV de condensación AEG
NOMENCLATURA EMPLEADA
empuje ascensional, sección, relación másica te necesaria para la c ombu stión ; AP, alta presión.
idem estrictamen -
a
Velocidad de l sonido.
ai.
(Proceso)
BP
baja presión.
C
constante, fuerza centrffuga; cámara de c ombustión; Ca, caldera; coeficiente d e empuje ascensiona l; C,, velocidad C,, coeficiente de arrastre.
(= adiabático -reversible).
vector velocidad absoluta, calor especffico; c,, calor especffico a presión y volumen constante; c,, c,, componentes periférica, radial y meridional de la veloci dad absoluta; velocidad absoluta de salida del escalon amiento preceden te. consumo especffico de vapor, diámetro, densidad (o peso específico) relativa; diámetro de la corona en la mitad del energla, de empuje, módulo de Young; E,, e,, energfa E,, e,, energfa potencial gravitatoria total y especffica.
,
total y
eficiencia de la calefacción; eficiencia del regenerador; e,, eficiencia de la refrigeración; e,, factor d e disminución d e trabajo en el TC radial. fuerza. caudal másico, caudal o en peso. aceleración de la gravedad; terna.
de aire; g,
g,,
caudal
de combustible;
caudal
pérdida d e caudal intersticial t ota l, externa e in -
poder calorffico del combustible, altura neta d e las turbinas hidráulicas; H,, poder calorffico inferior, superior; entalpfa especffica de un gas referida a 1 Mol. ent alp fa especifica. intensidad
de la cámara de combustión.
(temperatura absoluta). cantidad de movimiento, coeficiente de influjo del enrejado; coeficiente global de transmisión del calor, rendimiento combinado teórico; coeficiente d e velocidad en la corona fija y móvil; etc., coeficientes d e velocidad. ,
...
cuerda de un perfil. longitud radial del álabe, luz de u n perfil. masa molecular relativa (antigua mente llamada masa molecular); dia presión.
me -
NO MEN CL AT UR A E MPL EADA
escalonamiento d e acción. axial, atmosfdrico, ambiente, absorbi do, álabe, alta presión, aire. bomba, baja
base del
Carnot, compresor, escalonamiento del vapor ; Ca, caldera; Co, conducto combustible, chorro de gas, cedido, parámetro critico en la garganta de una tobera; columna d e agua. difusor entrada en la máquina.
.
efectivo, em puje, escalonamiento, exterior. coro na fija, fricción. salida de u n compresor. generador. gas. inte rno; is, isotdrmico. salida de una turbi na. 1 MTG
liquido. motor de turbina de gas. mecdnico, medio , meridional, modelo, corona móvil, media presión. nominal o d e diseño. neto, normal. óptimo. propulsivo. nominal o d e diseño. neto, normal. óptimo. propulsivo. precedente, politrópico, pr ototipo, punt a del alabe. escalonamiento d e reacción, escalonamiento d e regulación, Rankine.
r
radial, recuperado, refrigerador.
S
final proceso adiabdtico -isentrópico, estado de
T
turbina.
t ob
tobera.
t ot
total, estancamiento ( o remanso).
u
perifdrico. marcha en vaclo.
del vapor.
NOMENC LATU RA EMPLEADA
ABREVIATURAS DE LAS B
bomba hidráulica.
TC
turbocompresor.
TG
turbina de gas (unidad-TG ; motor -TG).
TH
turbina hidráulica.
TM
turbomáquina.
TMG
turbomáquin a generadora. hidráulica.
TMM
turmáquina motora.
TMT
turbomáquin a térmica.
TT
turb ina térmica (turb ina de vapor y turbina de gas, o sea, turbomáquina térmica con exclusión d e los turbocompresores). turbina de vapor.
NOTA FINAL
En la de l libro, sobre t od o en lo qu e atañe a fórmulas y figuras, hemos seguido algunas normas que esperamos faciliten la lectura de l mismo: La d e los ciclos de vapor o de gas se empieza a la entr ada de l compresor o de la bomba. En el estudio de las el punto 1 representa la entrada en una corona y el punto 2 la salida. El punto O la entrada en la corona fija de una turbina y el punto 3 la salida d e la coron a fija de un turbocompresor. Así, por ejemplo, el punt o en una turbina representa el punto de salida de la corona fija y entrada de la corona móvil. Si hay que hacer distinción entre ambos puntos se designará con la salida de la corona fija y la entrada en la corona etc. et c re p resentan calor transmitido en el proceso 1 - 2, trabajo realizado en el proceso 3 - 4, etc, Las magnitudes referentes a los escalonamientos primero, segundo, tercero, de una turbomáquina se designan con números romanos etc. Asf, por ejemplo, designa la velocidad relativa a la salida de la corona del cuarto escalonamiento, etc. Se designa con K el pun to final de salida de una turbina de vapor de con el punto final de salida de una turbina de vapor de o de escape libre, y con F el punto final de salida d e un turbocompresor. E designa la entrada en la máquina. La nomenclatura seguida en los triángulos de velocidad se explica en las págs. 165 - 168. Los valores medios se indican con una raya colocada sobre la letra correspondiente. Ejemplo : valor medio d e en el proceso. El subfndice indica el final d e una designa el rend imien to térmico d e un proceso o ciclo ideal.
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Introducción
1.1.
Clasificación de las máquinas de fluído. Definición de turbomáquina.
Las turbomáquinas constituyen una clase especial dentro de las máquinas de
Máquinas de fluído son aquéllas que absorben energía de un fluído y restituyen generalmente energía mecánica en el eje, como en una turbina de vapor, que acciona un generador; o energía propulsiva en el chorro, como en un turborreactor o un cohete; o bien absorben energía mecánica en el eje y restituyen energia a un fluído. Los motores los motores de explosión, las bombas de émbolo, los turbocompresores, etc., etc., son máquinas de fluído. El fluído puede ser un líquido o gas; el órgano intercambiador de energia mecánica y de fluído puede estar dotado de movimiento rotativo o movimiento alternativo: estos y otros factores pueden servir para clasificar las máquinas de fluído. Podemos lograr una clasificación binaria rigurosa si atendemos al principio de funcionamiento. Según el principio de funcionamiento las máquinas de fluído se clasifican en turbomáquinas y máquinas de desplazamiento positivo. Las turbomáquinas (en abreviatura en este libro TM) se llaman también máquinas de corriente o máquinas dinámicas. En ellas el intercambio de energía es debido, como estudiaremos en el Cap. 5, a la variación del momento cinético del fluído en su paso por el órgano intercambiador de energía, dotado de movimiento de rotativo, que se llama rodete. La ecuación de Euler o ecuación 5.3 y basada en el teorema del momenturbomáquinas (véanse las to cinético, es básica para el estudio de estas máquinas. Definición de turbomáquina ES AQUELLA DE FLUIDO CUYO FUNCIONAMIENTO SE BASA EN L A ECUACION DE EULER O ECUACION FUNDAMENTAL DE LAS TURBOMAQUINAS.
El segundo grupo de máquinas de fluído incluye no sólo las máquinas de émbolo o máquinas alternativas, sino todas aquellas, incluso rotativas (motor Wankel, bomba o motor de lóbulos o de engranajes), cuyo principio de
l . IN TR OD UC CI ON
térmica (diseño este último más esmerado, porque tendrá en cuenta la variación del volumen específico en la máquina).
1.3.
Definición de turbomáquina térmica
TURBOMAQUINA ES AQUELLA MAQUINA DE CUYO PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO ES LA DE EULER, Y CUYO ESTUDIO Y DISENO SE HACE TENIENDO EN CUENTA LA DE L VOLUMEN ESPECIFICO DE L FLUIDO ATRAV ES DE LAMA QUINA .
El presente volumen está consagrado al estudio de las turbomáquinas térmicas.
1.4.
Segunda clasificación de las turbomáquinas
Las turbomáquinas pueden también clasificarse, según el sentido que sigue la cesión de la energía, en motoras y generadoras.
motoras (en abreviatura TMM) el flu ído cede energía a la En las máquina. Ejemplo: en una turbina de vapor, el vapor cede energía (entalpía) a la máquina, q ue la transforma en energía útil para el accionamiento de un alternador. generadoras (en abreviatura TMG), la máquina comunica En las energía al flu ído. Ejemplo: en una bomb a centrífuga se comuni ca energía (presión) al agua: el agua tiene más presión a la salida que a la entrada.
Fig. . Triedro intrínseco de una quin a diagonal cónica (superficie de corrien te desarrollable en u n plano).
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fluido de corriente).
l . INTRODUCCION
La historia de la turbina de vapor se inició a fines del siglo pasado. Entre los
muchos investigadores que contribuyeron a su desarrollo mencionaremos sólo los do s principales, qu e fueron los creadores de las turbinas de vapor modernas. El primero es el genial inventor sueco De que creó, como subproducto de su desnatador centrífugo, impulsado por la necesidad de encontrar un accionamiento de gran velocidad para el mismo, la turbina de vapor de ac ción, de un solo escalonarniento, llamada turbina de De desarrolló para su turbina la tobera convergente-divergente con velocidad supersónica de sa lida de vapor y el eje flexible, cuya velocidad crítica quedaba por debajo de la velocidad de giro de la turbina, 300 00 -
El segundo es el inglés Parsons quién en busca de un motor ma rino apropiado, desarrolló la turbina de vapor d e reacción de varios
1 7. -
un
solo
-Esquema
de
una TV de escalonamiento; turbina De
de
tos. El barco equipado con turbina de vapor, fue fletado en 1895. Parsons resolvió el problema de la marcha atrás mediante un doble rodete, y consiguió mejores rendimientos q ue con las máquinas alternativas d'e vapor que se utilizaban en aquel entonces. La propulsión de barcos de gran tonelaje exige potencias imposibles de alcanzar con las antiguas máquinas alternativas de vapor. Hoy la turbina de vapor compite con el motor en este campo y es en el de las grandes potencias muchas ces el motor preferido. Ya en el año 19 17 el crucero inglés Hood de 42000 tone ladas, propulsado po r turbinas de vapor, desarrollaba en sus cuatro ejes una total de de 150000
'
La figura 1-7 representa un esquema de la TV más sencilla, turbina.de vapor de acción de un solo escalonamiento, que es la turbina primitiva de y que Fueden servir para explicar el funcionamiento de este motor. En la tobera 1 fija se expansiona el vapor incrementándose su energfa cinética. La velocidad de salida del vapor depende de la presión y del mismo antes de la tobera, como de la presión qu e reine a la salida de la tobera, o sea a la entrada del
UCCION
l.
bina, conseguida esta gracias a la investigación metalúrgica para altas temperaturas. Actualmente la temperatura de entrada del gas bina es superior en muchos casos a los 1 La mejora del rendimiento se ha logrado empleando ciclos diversos. Finalmente se están ensayando con TG que funcionan en circuito cerrado con combustible sólido (polvo de carbón, de hulla, lignito, etc.), lo cual ciertamente no mejoraría el rendimiento, pero si la economía del motor. Ya a fines de 19 67 en Europa, USA y (véase la figura 1-14) se hablan contratad o siguientes TG: 3378 (potencia total 41 2 MW) de potencia infe rior a 750 MW; 2585 con potencias de 7 50 a 15 000 KW (potencia tot al 11450 MW) y 55 6 con potencia superior MW (potencia total 11850 MW). Desde entonces el mercado de las TG experimentó un aumento siempre creciente. La investigación porque subsisten los mismos problemas que, hace años (aunque algunos se encuent ran ya parcialmente resueltos) tales como la corrosión y dep ósit os de cenizas, qu e junt o con la resistencia, imponen u n límite en la de temperaturas, Ho y las temperaturas de 85 0 a 90 0 sin utilizar procedimientos muy elaborados de son dominables. En la actualidad se estiman como combustibles ideales para las TG natural y los combustibles ligeros; y no ideales los que contienen una relativamente grande de azufre. En particular el gas natural está prácticamente de lo que permite mayor de la temperatura, y consiguientemente mayor rendimiento. En cambio con aceites pesados de gran conte nido de azufre y cenizas no es posible elevar la por encima de los C, para evitar la corrosión por
Citemos algunos de los campos de aplicación más importantes de la TG. una de las primeras aplicaciones de las TG, y que en la actua1. lidad ha adquirido aun mayor importancia es la del turbosobrealimentador de los motores alternativos de interna. El una TG sin cámara de combustión ni compresor propio, que es accionada por los gases de escape del motor de explosión o La potencia de la TG se emplea en accíonar un compresor que eleva la presión del aire en el motor. De el nombre d e turbosobrealimentador con que se le conoce.
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5 400. H S -
INTRODUCCZON
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menos transitorios, capa limite; problemas de resistencia d e materiales relacionados con la ticidad, plasticidad, fluencia, esfuerzos de cargas periódicas; análisis termodinámicos y de trasmisión de calor en flujo sónico, y refrigeración, fenómenos capilares, etc.; desarrollo de modelos matemáticos para solucionar ecuaciones diferenciales e integrales; programación; CAD, CAM, etc. d) Investigación d e la actividad electroquímica
y del mecanismo.de
e) Desarrollo de nuevas aleaciones de alta temperatura, como de capas protectoras contra la oxidación; superaleaciones y materiales refractarios; desarrollo de refuerzos con fibra para aplicaciones estructurales; d e difracción de rayos X para aplicación a y desarrollo de nuevos materiales. Desarrollo de aleaciones monocristálinas; metalurgia física, metalurgia de procesos, picas nuevas de soldadura, fo y fundición; estudios sobre la composición y estructura de materiales.
figuras 1-17 a 1-19 representan tres turborreactores de aviación de las firmas MTU, Pratt and Whitney y General Electric. La figura 1-20 corresponde a un motor turbohklice. El turbohklice es más que el turborreactor en velocidades inferiores de vuelo. En el empuje
Fig. 1-17. Motor TYNE, construido en siete tipos distintos por la firma M.T.U., Alemania. Es el turbohélice de mayor potencia qu e se construye en la actualidad (1983) en el mundo occidental. De 2 ejes, con compresor de baja presión de 6 escalonamientos y compresor de alta presión de 9. Cámara anular de combustión con 1 0 tubos de llama. La turbina consta de un escalonamiento refrigerado para accionamiento del TC de alta y de una turbina de baja de 3 escalonamientos para accionamiento del TC de baja y de la hélice, esta última a través de un engranaje planetario. Los datos técnicos del tipo MK el de mayor po tencia de la familia, son: Potencia máxima, 4026 empuje residual, consumo especifico de combustible, 0,307 caudal másico de aire, relación de compreTG de AP, 1242 K; n hélice, 977 rpm; n eje BP, 15250 rpm; n eje AP, 18150 rpm.
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( 1) Las firmas alemanas M.A.N. Turbo y Daimler formaron al final del año 1968 la Entwicklungsgesellschaft fur Turbomotoren (Socjedad para el desarrollo de turbomotores), que co n la colaboración de la Compañía Rolls-Royce inglesa se consagra a la investigación y desarrollo de nuevos motores TG.
l . ZNTRODUCCZON
Fig. de la Electric con ventilador frontal. Dos ejes. Con diversos tipos de la serie CF6 están equipados los aviones Airbus Douglas DC-10-30, el Boeing 747, etc. Su versión militar es el montado en el Lockheed C-5A Galaxia. La serie 80 de este motor tiene un consumo específico de combustible un 6 % menos de peso y menor longitud. En 1985 el 50 % de los motores del Airbus eran de este tipo. En un eje coaxial van montados el ventilador y el TC de baja presión de 3 escalonamientos, accionado por la TG de BP de 4 escalonamientos. El TC de de 14 escalonamiento s es accionado por las TG de de 2 escalonamientos refrigerados. Las coronas fijas de los 6 primeros escalonamientos del TC de alta presión son de alabes orientables. La cámara de combustión anular posee 30 inyectores. Características del tipo empuje máximo en el despegue, empuje en régimen de crucero, 56 consumo especf fico de combustible, caudal máximo de aire en el despegue, 6 6 1 relación de by-pass relación total de compresión en el despegue, relación de compresión del ventilador en el despegue, temperatura de entrada en TG de 1306 El motor de la figura ha sido diseñado co n la tecnologfa más avanzada, según el programa de la NASA (Energy Efficient Engine), alcanzando el empuje elevado y el consumo fico más bajo de todos los motores de aviación comercial hasta el presente destinado a ser el motor de los años 80.
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. turbina
de
3 escalonarnientos.
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l . ZNTRODUCCION
Fig. 1 22. Pequeña turbina d e gas M.A .N. Tur bo 6012. Se construye en potencias hasta de para el accionamiento de bombas, etc.: 0. difusor de escape; 1 . carcasa de la turbina; 81 2 . corona directriz de la turbina; 3 . cámara de combustión; 4. inyector; 5 . perno 8. eje d e salida; 9. captador de tem6 . cojinete de bolas d e la turbina; 7. carcasa de peratura; 1 0 . rodete d e la turbina; válvula de drenaj e; 12 . cojinetes de rodillos de la turbi na; 13. rodete del compresor; 14. depósito de aceite de engrase; 15 . regulador; 16. bomba del inyector. -
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Fig. 1 23. de guerra canadiense un El veloz del mundo de 225 toneladas estaba propulsado un ( 1 9 7 0 ) el barco de guerra solo motor P. FT 4 marcha y fue al freno para barcos a la batalla submarina. P. and W. suministra TG d e 37 9 a 22 40 0 y grandes. -
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1-24.
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-El
SRN 4 de la Westland Aircraft ,
accionados los TC con la energia sobrante en esas horas y en las cargas punta dicho aire comprimido almacenado como aire de combustión para una TG. (Véase la fig. 1-25). 1.9. Breve resumen de la propulsión a chorro y de las aplicaciones de la turbina de gas.
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Dejando el estudio detallado de los motores de reacción para los libros especializados damos a continuación resumen de lo que constituye en el momento presente la aplicación más importante de las TG.
1-25. Turbocompresor instalado en la primera central del mundo de acumulación de energfa por aire de accionamiento del TC, 60 MW; presión máxima 72 bar. Potencia d e la TG alimentada co n el aire a presión acumulado, 290
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( 1 ) Véase, ejemplo, STECKIN, Teoría d e los motores d e
Madrid,
por el autor del 1964,686 págs.
libro,
este principio 'el caudal másico multiplicado por el incremento de velocidad que experimenta el fluido desde es igual a la suma de todas las fuerzas que se ejercen sobre el fluido, a saber de la reacción R y de las fuerzas de presión y sobre la porción aislada del chorro. Tomando, que el fluído ejerce en pues, como positiva la dirección del chorro, se tendrá:
donde G =
-
caudal másico de aire. caudal másico del combustible adicionado al aire en la cámara de combustión. velocidad del fluído que sale y respectivamente del fluído qu e entra en el motor.
, *-
: p. .' -
.
.
,
:y
,
. S :
Siendo
Por tant o +
Sustituyendo la ecuación
E
(G
+
-8) en la (1
-
se tiene:
+
En el motor en vuelo:
=
V
(velocidad del chorro) (velocidad de vuelo).
Si además suponemos, como ocurre en la realidad que G + simplificada del empuje:
A
se tendrá la
la velocidad de vuelo V la potencia desarrollada por el motor, será:
Se define el rendimiento propulsivo:
Potencia del chorro
