Prof. Humberto Vidal. Depto. de Ing. Mecánica.
Turbocompresores Axiales
Introducción
• Los primeros turbocompresores axiales se construyeron alrededor de 1900 por Sir Charles Parsons.
• Relación de compresión y rendimientos muy bajos del orden del 55%.
• Mientras que en la actualidad los rendimientos son del orden de 85 a 90%.
• Compresores centrífugos de 70 a 80%.
• El compresor axial consiste en un rotor de forma
cilíndrica que gira dentro de una carcasa o estator.
• El fluido de trabajo circula por el espacio anular entre el
rotor y el estator, pasando por hileras de álabes fijos y
móviles.
Compresión de aire
• El aire es comprimido de manera que la
máxima cantidad de portador de energía
(moléculas) pueda ser usado en el mínimo
de espacio.
CLASIFICACION DE LOS
TURBOCOMPRESORES
• Los turbocompresores se clasifican en
tres tipos:
Turbocompresores axiales
Turbocompresores centrífugos
Turbocompresores diagonales
Los turbocompresores axiales también
tienen sus diferencias entre si y los más
comunes son:
compresor simple
compresor doble
compresor triple (Rolls-Royce)
Turbocompresor axial, 11 etapas (En turbina de gas)
Turbocompresor axial, 11 etapas (Detalle de la succión)
Turbocompresor axial, 11 etapas (Detalle del rotor)
Principio de Funcionamiento (simulación)
Turbocompresor Axial
Principio de Funcionamiento
• Funcionan como los ventiladores axiales, pero normalmente están constituidos de varias etapas.
• Cada corona de alabes fijos (estator) juega el papel de difusor para el rotor precedente y de distribuidor para el siguiente.
• Compresión por etapa es sensiblemente más baja que el correspondiente a un compresor centrifugo.
• Recorrido por el fluido es mucho más directo, permite una construcción más pequeña y menor peso.
• El flujo de aire corre paralelo al eje del compresor.
• Cada etapa del compresor está formada por una rueda de álabes móviles (rotor) y a continuación otra de alabes estacionarios (estator).
• En cada etapa se consigue una relación de compresión entre 1.1:1 a 1.4:1, pudiéndose alcanzar relaciones de compresión totales de 15:1 o mayores (dependiendo del no de etapas)
• El rendimiento es mayor que en los centrífugos.
• Los compresores axiales se utilizan en el ciclo de las turbinas de gas y de los turborreactores de avión.
• Su empleo característico es el de turbocompresores no refrigerados, para grandes caudales (300 a 3000 m3/ minuto) y débiles de presiones (2 o 3kg/ cm2 efectivos) para la inyección de aire en los altos hornos.
• Asimismo, se construyen compresores mixtos, en los cuales las primeras etapas son del tipo axial y las restantes del tipo centrifugo.
Admisión de Aire
• El conducto de admisión toma aire atmosférico y lo conduce hasta la primera etapa.
• En el conducto el aire es tratado para eliminar las impurezas.
• Pueden provocar erosión, ensuciamiento y corrosión.
Tratamiento de aire
• Separadores inerciales: Decantan las
partículas por efecto de fuerzas
centrifugas, perdiendo velocidad
cayendo por su mayor peso al
fondo.(mayores 10 μm).
• Filtros de fibras: aire atraviesa una
Maraña de fibras. filtros de
alfombra, enrollables, de bolsa y
rígidos.
• Filtros de superficie: Filtran partículas
menores 1 μm, quedando en las
superficie del filtro, la caída de
presión por ensuciamiento lleva a una
limpieza de estos.
Compresión
• Debido al alto flujo requerido de la masa de aire, nunca se utiliza un Comp. de desplazamiento positivo.
• Son siempre preferidos: el Compresor Centrífugo y el Compresor de Flujo Axial.
Un compresor axial puede
contener hasta 20 etapas
Algunas aplicaciones de
turbinas requieren de compresión del
orden de 200 psi en la descarga
Serie de discos metálicos fijos a un eje común
El borde de cada disco soporta un
conjunto de alabes, montados
en ángulo
Este rotor imparte velocidad y presión
dinámica al aire
La reducción levemente de la velocidad del aire entre cada disco del rotor (estator), levanta la presión estática.
En el estator de la primera etapa, su
velocidad es reducida Disminución de presión
dinámica
• La temperatura aumenta al aumentar la presión, debido a que parte de la energía mecánica se convierte en calor.
• Aproximadamente los 2/3 de la producción total de energía de la turbina de gas, es usada para accionar el compresor .
• La turbina de gas del tren Sulzer (Enap), de los 88000 hp que genera, 55000 hp son para accionar el compresor axial.
Materiales empleados en la
fabricación del compresor
• El disco del compresor se realiza en aleaciones de aluminio ligeras, para temperaturas hasta 200° C y aleaciones de titanio para temperaturas superiores a 200 ° C.
• Los materiales empleados en la fabricación de los álabes del compresor se eligen teniendo en cuenta los fenómenos de influencia, fatiga, corrosión y erosión.
• Se emplean aleaciones de titanio hasta 450° C y aceros de baja aleación (cromo-molibdeno-vanadio) de buenas características mecánicas hasta los 500 ° C, pero que requieren protección contra los fenómenos de oxidación.
CONTROL DE PERDIDA DE AIRE
La eficiencia de la turbina depende del
grado de presurización que el compresor
genera
Según la turbina es el tipo de sellos que se
usa.
Ningún sello es totalmente perfecto.
SURGE
Fenómeno asociado al turbocompresor
Se produce por una diferencia de velocidades entre la entrada y la salida
Sus efectos, son alta vibración, aumento de temperatura y ruido en exceso.
Existen varias sistemas para controlar este fenómeno.
SURGE
REFRIGERACION DE LOS
TURBOCOMPRESORES
• Todo turbocompresor cuya relación de
presiones es superior a 2, debe ser
enfriado. Los tipos de refrigeración mas
importantes son:
Refrigeración continua.
refrigeración por etapas.
FACTORES A CONSIDERAR EN LA SELECCIÓN DE
LOS SISTEMAS DE REFRIGERACION
Cuando se desea comprimir vapores de
agua hay que tener cuidado en no
descender del punto de rocío.
La evacuación de calor al exterior puede
ser desventajosa desde el punto de vista
de la rentabilidad de la instalación
RENDIMIENTO DE LOS TURBOCOMPRESORES
• Aunque el
turbocompresor axial
tiene mejor rendimiento
que el radial, es mucho
más sensible a las
variaciones de la carga;
su rendimiento disminuye
más rápidamente al
variar las condiciones de
funcionamiento con
relación al punto de
diseño