Makina eta Motor Termikoen Saila Departamento de Máquinas y Motores Térmicos ESCUELA TECNICA...
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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
Makina eta Motor Termikoen SailaDepartamento de Máquinas y Motores Térmicos
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
Makina eta Motor Termikoen SailaDepartamento de Máquinas y Motores Térmicos
Instalaciones de turbina de gasInstalaciones de turbina de gasIntroducciónIntroducción
La turbina de gas es:Motor Térmico.Combustión interna.Con turbomáquina.Multielemento.
Makina eta Motor Termikoen SailaDepartamento de Máquinas y Motores Térmicos
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.
Makina eta Motor Termikoen SailaDepartamento de Máquinas y Motores Térmicos
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
Makina eta Motor Termikoen SailaDepartamento de Máquinas y Motores Térmicos
Análisis de los procesos termodinámicosAnálisis de los procesos termodinámicosElementos mecánicosElementos mecánicos
Compresor.Turbina. Cámara de
combustión.
Makina eta Motor Termikoen SailaDepartamento de Máquinas y Motores Térmicos
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
Makina eta Motor Termikoen SailaDepartamento de Máquinas y Motores Térmicos
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
Makina eta Motor Termikoen SailaDepartamento de Máquinas y Motores Térmicos
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).
Makina eta Motor Termikoen SailaDepartamento de Máquinas y Motores Térmicos
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)
Makina eta Motor Termikoen SailaDepartamento de Máquinas y Motores Térmicos
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.
Makina eta Motor Termikoen SailaDepartamento de Máquinas y Motores Térmicos
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.
Makina eta Motor Termikoen SailaDepartamento de Máquinas y Motores Térmicos
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 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.
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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 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.
Makina eta Motor Termikoen SailaDepartamento de Máquinas y Motores Térmicos
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 compuesto
Este ciclo presenta peor rendimiento que el básico.h
s
C< s
s
20s
10
30 40T
40s
20T
T< s
Makina eta Motor Termikoen SailaDepartamento de Máquinas y Motores Térmicos
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 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.
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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 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.
Makina eta Motor Termikoen SailaDepartamento de Máquinas y Motores Térmicos
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
Montaje en un eje
Makina eta Motor Termikoen SailaDepartamento de Máquinas y Motores Térmicos
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
Montaje en dos ejes
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Conceptos Básicos para el análisis de turbinas de gas Conceptos Básicos para el análisis de turbinas de gas
Makina eta Motor Termikoen SailaDepartamento de Máquinas y Motores Térmicos
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, )
Makina eta Motor Termikoen SailaDepartamento de Máquinas y Motores Térmicos
Conceptos Básicos para el análisis de turbinas de gas Conceptos Básicos para el análisis de turbinas de gas Parámetros de diseñoParámetros de diseño
Ejemplo
Makina eta Motor Termikoen SailaDepartamento de Máquinas y Motores Térmicos
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.
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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.
Makina eta Motor Termikoen SailaDepartamento de Máquinas y Motores Térmicos
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
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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
Makina eta Motor Termikoen SailaDepartamento de Máquinas y Motores Térmicos
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
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Conceptos básicos. Turbina como máquina térmica Conceptos básicos. Turbina como máquina térmica El escalonamiento básicoEl escalonamiento básico
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
Makina eta Motor Termikoen SailaDepartamento de Máquinas y Motores Térmicos
Conceptos básicos. Turbina como máquina térmica Conceptos básicos. Turbina como máquina térmica El escalonamiento básicoEl escalonamiento básico
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
Makina eta Motor Termikoen SailaDepartamento de Máquinas y Motores Térmicos
Conceptos básicos. Turbina como máquina térmica Conceptos básicos. Turbina como máquina térmica El escalonamiento básicoEl escalonamiento básico
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
Makina eta Motor Termikoen SailaDepartamento de Máquinas y Motores Térmicos
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.
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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
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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.
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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.
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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.
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Análisis mediante el software TurgasAnálisis mediante el software Turgas Cálculo y ajuste del proceso de expansión Cálculo y ajuste del proceso de expansión
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
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U
C2W 2
2
2
C1
W1
1 1
Ca
Cu= wu
Análisis mediante el software TurgasAnálisis mediante el software Turgas Cálculo y ajuste del proceso de expansión Cálculo y ajuste del proceso de expansión
Triángulos de velocidades y coeficientes de pérdidas
tg1 = (1-R)/ + /(2)
tg2 = (1-R)/ - /(2)
tg1 = R/ - /(2)
tg2 = R/ + /(2)
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Análisis mediante el software TurgasAnálisis mediante el software Turgas Cálculo y ajuste del proceso de expansión Cálculo y ajuste del proceso de expansión
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
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Análisis mediante el software TurgasAnálisis mediante el software Turgas Cálculo y ajuste del proceso de expansión Cálculo y ajuste del proceso de expansión
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)
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Análisis mediante el software TurgasAnálisis mediante el software Turgas Cálculo y ajuste del proceso de expansión Cálculo y ajuste del proceso de expansión
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
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Análisis mediante el software TurgasAnálisis mediante el software Turgas Cálculo y ajuste del proceso de expansión Cálculo y ajuste del proceso de expansión
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:
Makina eta Motor Termikoen SailaDepartamento de Máquinas y Motores Térmicos
Análisis mediante el software TurgasAnálisis mediante el software Turgas Cálculo y ajuste del proceso de expansión Cálculo y ajuste del proceso de expansión
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