Makina eta Motor Termikoen Saila Departamento de Máquinas y Motores Térmicos ESCUELA TECNICA...

Makina eta Motor Termikoen SailaDepartamento de Máquinas y Motores Térmicos

ESCUELA TECNICA SUPERIOR DEESCUELA TECNICA SUPERIOR DE INGENIERIA DE BILBAO INGENIERIA DE BILBAO

EHU / UPVEHU / UPV

Estudio y diseño de turbinas de gas


ContenidoContenido

Instalaciones de turbina de gas.Análisis de los procesos termodinámicos.Conceptos básicos para el análisis de

turbinas de gas.– Instalación de turbina de gas.– Turbina como máquina térmica.

Análisis mediante el software TurgasTurgas


Instalaciones de turbina de gasInstalaciones de turbina de gasIntroducciónIntroducción

La turbina de gas es:Motor Térmico.Combustión interna.Con turbomáquina.Multielemento.


Instalaciones de turbina de gasInstalaciones de turbina de gasIntroducciónIntroducción

La turbina de gas se utiliza en:Aplicaciones industriales.

– Producción de energía eléctrica.– Cogeneración.

Transporte.– Aéreo.Aéreo.– Terrestre y Marítimo.


Análisis de los procesos termodinámicosAnálisis de los procesos termodinámicosCiclo Termodinámico básicoCiclo Termodinámico básico

Compresión isentrópica.

Combustión isóbara.Expansión isentrópica.

h

s10

p10

20s

p20

p40

30

40s


Análisis de los procesos termodinámicosAnálisis de los procesos termodinámicosElementos mecánicosElementos mecánicos

Compresor.Turbina. Cámara de

combustión.


Análisis de los procesos termodinámicosAnálisis de los procesos termodinámicosProceso de CompresiónProceso de Compresión

Proceso isentrópico 10-20s

P20·(T10)/(-1) = P10 · (T20s)/(-1)

T20s=T10·(P20/P10)(-1)/=T10·rc (-1)/

Proceso real c=(h20s–h10)/(h20–h10)

c=(T20s–T10)/(T20–T10)

T20 = T10 + (T20s – T10) / c

h

s10

p10

p20

20s 20


Análisis de los procesos termodinámicosAnálisis de los procesos termodinámicosProceso de combustiónProceso de combustión

Pérdida de carga.

p30 = p20(1-)

Rendimiento.

h

s

20s

p20

p3030


Análisis de los procesos termodinámicosAnálisis de los procesos termodinámicosProceso de CombustiónProceso de Combustión

Establece la energía aportada al ciclo. Determina la composición del fluido que

evoluciona por la turbina.Básicamente depende de dos factores. Tipo de combustible. Dosado o relación combustible – aire.

– Mezclas pobres (FMezclas pobres (FRR<1).<1).– Mezclas estequiométricas (FR=1).– Mezclas ricas (FR> 1).


Análisis de los procesos termodinámicosAnálisis de los procesos termodinámicosProceso de expansiónProceso de expansión

Turbinas de contrapresión.

ps = p4h

s

20

10

p10

p2030

44s

p4

Turbinas atmosféricas.

ps = p10 Proceso isentrópico 30-4s.

T4s=T30·(P4s/P30)(-1)/ Proceso real.

T=(h30–h4)/(h30–h4s)


Conceptos Básicos para el análisis de turbinas de gasConceptos Básicos para el análisis de turbinas de gasMejoras sobre el ciclo básicoMejoras sobre el ciclo básico

Ciclos regenerativos.Ciclos compuestos.

– Compresión escalonada con refrigeración intermedia.

– Expansión escalonada con calentamiento intermedio.


Conceptos Básicos para el análisis de turbinas de gas Conceptos Básicos para el análisis de turbinas de gas Mejoras del ciclo básicoMejoras del ciclo básico

Ciclo regenerativo Aprovecha la energía de los gases de escape. Incorpora un precalentador del aire.



Ciclo regenerativo Mejora el rendimineto (20-24)% (0,25-0,30)%. Compresor más económico por ser menor (máx.).

Igual potencia que el ciclo básico correspondiente*.

* Sin tener en cuenta la tendencia en estos ciclos a operar en en máximo rendimiento.

Mayor peso específico de la instalación. Mayor costo específico de la instalación. Riesgo de incendio en el regenerador.



Ciclo compuesto La compresión isoterma requiere menos trabajo que la

isoentrópica.

p

v

20s

10

20T 30

40T

40s

La expansión isoterma obtiene más trabajo que la isoentrópica.



Ciclo compuesto

Este ciclo presenta peor rendimiento que el básico.h

s

C< s

s

20s

10

30 40T

40s

20T

T< s



Ciclo compuesto

Es técnicamente imposible realizar compresiones o expansiones isotermas. Se recurre a:

– Compresion escalonada con refrigeración intermedia.

h

s10’

20s20 20’

20’s

10

30

40’s40’

40s40

30’– Expansión escalonada con calentamiento intermedio.



Ciclo compuesto Se obtiene mayor potencia que en ciclo básico. Favorece la regeneración. Permite el diseño en unouno o en dosdos ejes. Mayor peso específico de la instalación. Mayor costo específico de la instalación.



Montaje en un eje



Montaje en dos ejes


Conceptos Básicos para el análisis de turbinas de gas Conceptos Básicos para el análisis de turbinas de gas


Conceptos Básicos para el análisis de turbinas de gas Conceptos Básicos para el análisis de turbinas de gas Parámetros de diseñoParámetros de diseño

Parámetros básicos.– Potencia de la instalación. (Wu)

– Rendimiento de la instalación.(TG)

– Relación de compresión.()

Parámetros de operación.– Condiciones ambientales.(T10)

– Temperatura de entrada a la turbina.(T30)

– Rendimiento de las máquinas.(T, C)

– Calidad de los gases de combustión.(cp, )


Conceptos Básicos para el análisis de turbinas de gas Conceptos Básicos para el análisis de turbinas de gas Parámetros de diseñoParámetros de diseño

Ejemplo


Conceptos básicos. Turbina como máquina térmicaConceptos básicos. Turbina como máquina térmicaLa expansión en la turbinaLa expansión en la turbina

Convierte la energía del fluido en energía mecánica en el eje.

Se fundamenta en la ecuación de EulerEuler para las turbomáquinas.

Se fracciona en escalonamientos o etapas.Cada escalonamientoescalonamiento está formado por:

– Rotor.– Estátor.


Conceptos básicos. Turbina como máquina térmica Conceptos básicos. Turbina como máquina térmica La ecuación de EulerLa ecuación de Euler

La forma de los álabes obliga al fluido a cambiar su velocidad.– Módulo.– Dirección.

El fluido realiza contra los álabes la misma fuerza pero de sentido contrario (reacción).

Como los alábes no son fijos se produce la rotación.


Conceptos básicos. Turbina como máquina térmicaConceptos básicos. Turbina como máquina térmicaLa ecuación de EulerLa ecuación de Euler

Las velocidades son:– Periféricas del álabe U1 y U2

– Absolutas del fluido C1 y C2

Y

Z

X

X’Y’

– Relativas W1 y W2 relacionadas por:

C 1

U1

W1

C1U

C1r

C1a

W1a

W1r

W 1U

Axial C1a

Radial C1r

Tangencial C1U

C1 = U1 + W1

C2 = U2 + W2


Conceptos básicos. Turbina como máquina térmica Conceptos básicos. Turbina como máquina térmica La ecuación de EulerLa ecuación de Euler

Ecuación de Euler:

C 1

U1

W1

C1U

C1r

C1a

W1a

W1r

W 1U

Triángulo de velocidades:

Primer principio

Carga estática: Carga dinámica:

Grado de reacción:Volver


Conceptos básicos. Turbina como máquina térmica Conceptos básicos. Turbina como máquina térmica El escalonamiento básicoEl escalonamiento básico

Estátor. Conjunto de álabes fijos que forman toberas para acelerar el gas.

Rotor. Conjunto de álabes móviles donde se obtiene la energía mecánica.

EstátorRótor



Si la velocidad de salida se recupera:

TT=(hio-hjo)/(hio-hjos)

Si la velocidad de salida no se recupera:

TE=(hio-hjo)/(hio-hjs)

h

s

hs T

E

hs T

T

i0pi0

30 p30

p4

4s4

p40

40s40

hs T

E

jjs

pjhs T

T

j0 pj0j0s



Las presiones intermedias delimitan los escalones

h

s

3op30

pj0io

pi0

jojos

p40

4os4o

hSE

hhhhhhhh

josiouejoiojosio

joio

ue

hqhh

hqhhhhh

seeuejoio

seejosiosejosio

z

sez

euez

seeueooz

joio hqhqhhhh 43

z

eosoueooosoz

se qhhhhhhh 434343

uT

oso

ze

ueoso

oo

hh

q

hhhh

4343

43 1



El rendimiento de la turbina es mayor que el del escalonamiento.

Las suma de las pérdidas en los escalonamientos son mayores que las pérdidas totales.

h

s

io

pi0

3op30

p40

4os4o

jo

pj0

jos

hSE

1143

Z

hh

q

oso

ze

ueuTueuTZ

Factor de recuperación


Análisis mediante el software TurgasAnálisis mediante el software TurgasPlanteamiento del ProblemaPlanteamiento del Problema

Problema teórico.– Salto entálpico iséntrópico.– Fluido termodinámico.– Criterios de diseño.

Régimen de giro. Relación s/H. Número escalonamientos. Geometría triángulo de velo.

– Grado de reacción R.– Coeficiente de carga .– Coeficiente de flujo .

Problema informático.– Módulo turbina de gas.– Módulo de combustión.– Facilidad de uso.– Abierto a nuevos

módulos.– Fiabilidad de resultados.


Análisis mediante el software TurgasAnálisis mediante el software TurgasAjuste y Cálculo del Proceso de CombustiónAjuste y Cálculo del Proceso de Combustión

Por gases de la combustión Moles de cada especie (T). cp de cada especie (T).

cp de la mezcla (T).

Entalpía de la mezcla (T).

Por rendimiento de la cc Entalpia entrada hecc.

Balance energético cc. Entalpía de salida hscc.

Comparación de entalpías Temperatura de salida


Análisis mediante el software TurgasAnálisis mediante el software TurgasProceso de ExpansiónProceso de Expansión

Datos externos.– Salto entálpico

isentrópico. P y T a la entrada de la

turbina. Contrapresión.

– Fluido circulante. Composición. Variación de cp con T.

Parámetros de diseño.– Núm. Escalonamientos.– Régimen de giro.– Geometría de los álabes.

Grado de reacción R. Coeficiente de carga . Coeficiente de flujo . Relación s/H.


Análisis mediante el software TurgasAnálisis mediante el software Turgas Cálculo y ajuste del proceso de expansión Cálculo y ajuste del proceso de expansión

Cálculo de Cálculo de hhsTEsTE y de la presión de salida psT. TriángulosTriángulos de velocidades y coef. pérdidas. Se supone TE=0.3 para la turbina. TamañoTamaño triángulos de velocidades (u). Cálculo de pérdidasCálculo de pérdidas en escalonamiento tipo. Cálculo valores salidaCálculo valores salida por escalonamiento. Comparación de psUE con psT. Se incrementa TE y se repite el proceso. Cuando psUE y psT coinciden termina el ajuste.



Cálculo del salto hsTE y de la presión de salida psT

h

s

p20

2020s

40s40 p40

30 p4s= p1+ cp

cp = Contrapresión

T4s = T3 · (p4s/p3)(r-1)/r

hsTE = cpr · (T3 – T4s)10

p10

Volver


U

C2W 2

2

2

C1

W1

1 1

Ca

Cu= wu


Triángulos de velocidades y coeficientes de pérdidas

tg1 = (1-R)/ + /(2)

tg2 = (1-R)/ - /(2)

tg1 = R/ - /(2)

tg2 = R/ + /(2)

Volver



Con la hipótesis del valor de TE obtenemos el valor de la velocidad periférica u

TE = N · Wi / hsTE ; Wi = · u2

Las velocidades de los triángulos serán:

Ca = u · C1 = Ca / cos1

W1 = Ca / cos1

C2 = Ca / cos2

W2 = Ca / cos2

Volver



Conocidos los triángulos de velocidades se pueden calcular las pérdidas en el escalonamiento tipo.

YE = E · C12/2

YR = R · W22/2

Y1 = YR + YE

TT = Wi / (Wi + Y)



Mediante el criterio de Zweifel calculamos la solidez óptima.

z = 2 · (1/) · cos22 · (tg1 + tg2) = 0,8

Las deflexiones en el estator y en el rotor son

E = 1 - 2 ; R = 1 - 2

Mediante la correlación de Soderberg se calculan los coeficientes de pérdidas en el perfil y secundarias

p = 0.025[1 + (/90)2] ; s = 3.2 · p · · s/H

Volver



Para un escalón ij cualquiera:h

s

j0 pj0j0s

cW

TTTTchhWpr

ij

iojojoioprjoioij

T

Tpp

T

Tpp

io

jos

io

josiojo

io

jo

11

cW

TTTTcW

hhW

TT pr

ij

iojosjosiopr

ij

josio

ij

TT

Tc

Wpp

ioTT pr

ijiojo

1

1

i0pi0

jjs

pj Para el salto isentrópico:



En el último escalón:h

s

(n-1)op(n-1)0

44s

p4

4o p404so

c

cTTcTTcchhpr

ssos

sssopr

ssso

2

2

444

2

444

2

444 22

TTpp

TT

pp

so

s

so

ssos

so

s

4

4

4

41

44

1

4

4

T

cc

Tpp

so

pr

sso

sos

4

24

42

1

44

Tc

cpppr so

ssos

21

4

24

1

44

Volver

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