1
TURBOMQUINAS TRMICASQ
Compresores Axiales
Prof. Miguel ASUAJEMarzo 2012
ContenidoCompresores Axiales
I t d iIntroduccinEtapa de un compresorTringulo de VelocidadesCambio de propiedades en un compresorLa Difusin
EstudioAngulo de IncidenciaPerfiles
Anlisis de la EtapaDiagrama h-s o Diagrama de Mollier
Trabajo EspecficoIncremento de Temperatura en la EtapaEficiencia Adiabtica de una Etapa
Prdidas en la Etapa
2
Contenido
Compresores AxialespGrado de ReaccinCarga de la etapaFuncionamiento fuera del punto de operacinRelacin de Compresin de Varias etapasPrdidas en una Etapa y Rendimiento
El compresor es una mquina que sirve para hacer ganar unaenerga a un fluido compresible, generalmente bajo la forma de
Introduccin
Alabes de RotorAlabes de Estator Eje Accionador
energa a un fluido compresible, generalmente bajo la forma depresin
Alta PresinBaja
Presin
Los propsitos bsicos de un compresor son:- Aumentar la presin- Entregar un flujo msico o volumtrico.
3
Introduccin Los primeros compresores axiales utilizados
fueron turbinas con sentido de giro inversofueron turbinas con sentido de giro inversoOfreca eficiencias menores a 40% para mquinas de
gran relacin de compresin.La razn de esta baja eficiencia es lo que hoy se conoce comoStall. Para entonces, los compresores centrfugos posean unaeficiencia del 80-90%.
Luego de los estudios y pruebas de A. A. Griffitg y p(1926) en compresores axiales
Se alcanzaron eficiencias cercanas a 90% para bajasrelaciones de compresin.
Fluidodinmica del proceso de compresin de flujo
Fluidodinmica asociada al proceso de expansin en turbinas
Al acelerar bruscamente un flujo como es el caso
Introduccin
de las turbinas axiales existe una pequeavariacin en la presin de estancamiento.
No ocurre lo mismo para el caso de una desaceleracinbrusca, ya que existir un fuerte desprendimiento que setraducir en grandes prdidas de energa.
Por esta razn limitaciones para los Por esta razn limitaciones para los compresores axiales como etapas de baja relacin de compresin para lograr un gran rendimiento
Compresor axial mquina que necesita gran nmerode etapas para poseer gran eficiencia
4
Los Compresores
Alabes de RotorAlabes de Estator Eje Accionador
Compresor Multietapas
IntroduccinLos compresores convierten la energa cintica en presinprincipalmente por medios aerodinmicos, en contraste con lasprincipalmente por medios aerodinmicos, en contraste con lasturbinas axiales en las que sus rejillas de labes actan comoaceleradores de flujo. Es por esta causa que los labes de lasturbinas son mas estables en trminos aerodinmicos que las de loscompresores y por lo tanto las turbinas mas fciles de disear.
labes de Turbina Axial labes de Compresor Axial
5
Premisas en el estudio de un Compresor Axial
La velocidad en la direccin radial es igual a ceroes igual a cero
Se estudian en el plano medio del labe (representativo de la etapa)
o Si la relacin de envergadura respecto a la cuerda no es grande
Flujo en rgimen permanente, incompresible, infinito nmero de labes
La velocidad axial Cx permanece constante en el paso de una etapa a otra
Etapa Normal
Etapa Normal de un Compresor AxialEn una etapa normal las velocidadesabsolutas a la entrada y de salida son 2W
r 2Cr
1Wr
r
Ur
absolutas a la entrada y de salida soniguales en magnitud y en direccin
1 3 =31 CCrr
=
Por continuidad 333222111 XXXCACACA
2
22W
1Cr
1
1
XCr
332211 AAA Como sabemos en las TMT las densidades en cada una de las etapas cambia, por
lo tanto, la ALTURA de los labes en cada etapa debe disminuir gradualmente para compensar el aumento de densidad y compensar la ecuacin de
continuidad!!!
6
Etapa de un Compresor AxialPrimero, debemos saber que :
La etapa de un compresor est compuestapor un estator y un rotor
Entrada al rotor
Salida del rotor y entrada al estator
1
2
Rotor Estator
1 2 3
y
Salida del estator3
La etapa de un compresor est compuesta por una rejilla de labes enl t id jill d l b l t t l fl id d
Etapa de un Compresor Axial
el rotor seguida por una rejilla de labes en el estator y el fluido detrabajo pasa a travs de stas sin cambios significativos en el radio(distancia entre la base y la punta del labe).
En compresores es usual el empleo de mltiples etapas paradesarrollar altas relaciones de presin
Estator Radio medio (rm)
El fluido recorre axialmenteel compresor a una distanciamedia entre cubo y punta(rm)Rotor
7
IGV
Vista Meridional
1 IGV Inducen rotacin en
Etapa de un Compresor Axial
IGVEstator
CS
1. IGV Inducen rotacin en la primera etapa.
2. Conjunto rotor-estator
3. Contraccin de rea para mantener velocidad meridional ya que el gas aumenta su densidad
Rotor
Eje de Rotacin
rmaumenta su densidad durante la compresin.
4. Radio medio Constante
En la prctica los puntos 3 y 4 no son limitantes en cuanto el diseo, sin embargo estas conllevan a importantes simplificaciones en el estudio.
La Difusin
La difusin es un proceso crtico, que debe ser bien estudiado
StallPara grandes variaciones de rea
Separacin del flujo de las paredes (del labe o del anillo de flujo)
A pequea En general
p , qpara recuperar la presin de forma ptima
o del anillo de flujo) bajo la accin de un gradiente de presin adverso
8
Difusin del fluido:
La Difusin
Proceso dinmico donde el fluido es desacelerado
Direccin de Flujo En un compresor axial, los labes del rotor y del estator se disponen con el fin de desacelerar el fluido
Garganta Throat: Garganta Throat: seccin de menor rea
El cambio de rea en la seccin de flujo de un d l t i d
Difusin y Stall. Efecto de la incidencia
compresor es muy pequeo, de lo contrario puedeocasionarse Stall.
Stall Separacin del flujo delas paredes (labes oanillo de flujo) bajo laaccin de un gradienteaccin de un gradienteadverso de presin..
m.
9
A U constante, si el flujo msico sereduce 1 aumenta, y tambin laVector de Velocidad
Difusin y Stall. Efecto de la incidencia
reduce 1 aumenta, y tambin laincidencia i=1-1 (incidencia +).
De esta forma el fluido es aceleradolocalmente y el perfil de flujo sufreuna difusin a travs de los labes.
A incidencias suficientemente altas,las fuertes redifusiones consecuentes
Caudal de diseo
Velocidad
separarn eventualmente al flujo delextrads del labe, creando unacondicin de stall.
El stall reduce el rango de operacinestable de los compresores alprovocar el desprendimiento delfluido.
Posible Stall a bajo flujo
CaudalParcial
Di i
Stall Rotativo
Zo de
Fluido Retardado
Direccin de Rotacin
Zona de Stall
Direccin de Propagacin
10
Curvas Caractersticas.LMITES STALL
Curvas Caractersticas.EFECTO DE LABES AJUSTABLES
Las labes gua (IGVs) o estatores Las labes gua (IGVs) o estatores intermedios estn conectados a la carcasa y en algunos tipos de compresores se pueden ajustar de forma manual o automtica. Estos labes ajustables tiene un efecto apreciable en el rango de operacin estable.
Se utiliza con frecuencia para cambiar el rango de operacin. Tambin se utiliza para permitir que el compresor pueda operar en un rango de mxima eficiencia bajo diferentes condiciones de entrada o cambios en la composicin del fluido.
11
Antes del rotor
Cambios de propiedades y velocidades en la etapa
p
ho
El fluido se aproxima con una velocidad relativa de gran magnitud y gran energa cintica (W)
En el Rotor Difusin
Trabajo
Wr
Cr
po
p
WC En el Estator Difusin
del Rotor
p
C
Cr
Tringulos de Velocidades 1Wr
1Cr
1 1
Rotor Ur
2Wr
r
2Cr
22
Ur
1
3Cr
3
12
Tringulos de Velocidades de Base Comn
1Wr
1CrY+
1 1
Rotor Ur
2Wr
r
2Cr
22
Solapando los tringulos a la entrada ysalida del rotor, obtenemos..
X+
Ur
1
3Cr
3
Analizando el recorrido del flujo por el compresor en la primera etapa se tiene que: CX=CS
Anlisis Adimensional.Tringulo unitario
11
X S
C1W1
U
IGV
Rotor U
C2W2U
22
C3=C13
Estator
3 = 1
1
W1/U
W2/U
C2/U
C1/U
22
11
El triangulo se mantiene para todas las etapas (s perfiles existen semejantes en los labes de las etapas para rm)
13
2
3
Diagrama de Mollier
relrel hh 0201 =
1
22 11 222
211 2
121 WhWh +=+
0302 hh =233
222 2
121 ChCh +=+
Trabajo de una etapa de Compresin
hhWW &En su forma ms general tenemos que:
Rotor
1
0103 hhmWW == &
Por otra parte, la ecuacin de Euler en su forma msgeneral:
2
3
EstatorA travs del estator h0 es constante, por lo tanto:
( ) 0010201020203 TCTTChhWhh PP ====
CUCUW =Buscando relacin con los tringulos develocidades podemos llegar a:
( )12 yy ccUW =
1122 CUCUW =
2
22Wr 2C
r
1Wr
1Cr
1
1
14
Anlisis Adimensional.Trabajo de una etapa de Compresin
Coeficiente o factor de