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