CONTENIDOS ix

Principios de Turbomquinas

Principios de Turbomquinas

La Universidad Estatal de Ohio Seppo A. Korpela

WILEY A John Wiley & Sons, INC., PUBLICACIN

Copyright 2011 por John Wiley & Sons, Inc. Todos los derechos reservados.

Publicado por John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, Nueva Jersey. Publicado simultneamente en Canad.

Ninguna parte de esta publicacin puede ser reproducida, almacenada en sistemas de recuperacin o transmitida en cualquier forma o por cualquier medio, electrnico, mecnico, fotocopia, grabacin, escaneo o de otro tipo, con excepcin de lo permitida bajo la Seccin 107 o 108 de la Ley de Propiedad Intelectual de 1976 de Estados Unidos, sin que el previo el permiso por escrito del editor, o autorizacin a travs del pago de la tarifa correspondiente por copia a Copyright Clearance Center, Inc., 222 Rosewood Drive, Danvers, MA 01923, (978) 750-8400, fax (978) 750-4470, o en la web en www.copyright.com. Pide a la Editorial de autorizacin debe ser dirigida al Departamento de Permisos, John Wiley & Sons, Inc., 111 River Street, Hoboken, NJ 07030, (201) 748 a 6.011, fax (201) 748-6008, o en lnea en http://www.wiley.com/go/permission. Lmite de Responsabilidad / Renuncia de Garanta: Mientras el editor y el autor ha utilizado sus mejores esfuerzos en la elaboracin de este libro, que no hacen ninguna representacin o garanta con respecto a la exactitud o integridad de los contenidos de este libro y especficamente renuncian a cualquier garanta implcita de comerciabilidad o aptitud para un propsito en particular. Ninguna garanta puede ser creado o ampliado por las ventas representantes o materiales de venta escritos. Los consejos y estrategias contenidas en el presente documento pueden no ser adecuado para su situacin. Usted debe consultar con un profesional en su caso. Ni el editor ni el autor ser responsable de cualquier prdida de beneficios o cualquier otro dao comercial, incluyendo pero no limitado a daos especiales, incidentales, consecuentes, o de otro tipo.

Para obtener informacin general sobre nuestros productos y servicios, por favor pngase en contacto con nuestro Servicio al Cliente Departamento dentro de los Estados Unidos al (800) 762-2974, fuera de los Estados Unidos al (317) 572-3993 o fax (317) 572-4002.

Wiley tambin publica sus libros en una variedad de formatos electrnicos. Parte del contenido que aparece en la impresin, sin embargo, pueden no estar disponibles en formatos electrnicos. Para obtener ms informacin acerca de los productos de Wiley, visita nuestro sitio web en ww.wiley.com. Biblioteca del Congreso de Datos de catalogacin en publicacin:

Korpela, S. A. Principios de Turbomquinas / Seppo A. Korpela. - 1 ed. p. cm. Incluye ndice. ISBN 978-0-470-53672-8 (tapa dura) 1. Turbomquinas. I. Ttulo. TJ267.K57 2011 621.406-dc23 2011026170

Impreso en los Estados Unidos de Amrica.

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

A mi esposa Terttu,A nuestra hija Liisa,Y a la memoria de nuestra

Hija Katja

CONTENIDOS

Prefacio xiii

Agradecimientos xv

1. Introduccin 1

1.1. Mquinas de fluidos y Energa11.1.1 Conversin de energa de combustibles fsiles1 1.1.2 Turbinas de vapor 21.1.3 Turbinas de gas31.1.4 Turbinas hidrulicas41.1.5 Turbinas de viento 51.1.6 Compresores 51.1.7 Bombas y sopladores 51.1.8 Otros usos y cuestiones 61.2. Encuesta histrica 71.2.1 Energa del agua71.2.2 Turbinas de viento 81.2.3 Turbinas de vapor 91.2.4 Propulsin reactiva 101.2.5 Turbinas industriales 111.2.6 Nota sobre las unidades 122. Principios de la termodinmica y flujo de fluidos15

2.1. Principio de la conservacin de la masa 152.2. Primera ley de la termodinmica 172.3. Segunda ley de la termodinmica 192.3.1 T ds ecuaciones 192.4. Ecuaciones de estado 202.4.1 Propiedades del vapor 212.4.2 Gases ideales 272.4.3 Tablas del aire y relaciones isentrpicos 292.4.4 Mesclas de gases ideales 312.4.5 Incompresibilidad 352.4.6 estado estacionario 352.5. Eficiencia 362.5.1 Las medidas de eficiencia 362.5.2 Prdidas termodinmicas 422.5.3 Fluido incompresible 432.5.4 Flujos compresibles 442.6. Equilibrio de momentum47Ejercicios 54

3. Flujo compresible a travs de toberas 57

3.1. Numero de Mach y la velocidad del sonido 573.1.1 Relaciones numricas de Mach 593.2. Flujo isentrpicos con cambio de rea 613.2.1 Tobera convergente 653.2.2 Tobera convergente-divergente 673.3. Choques normales 693.3.1 Relaciones Rankine-Hugoniot 733.4. Influencia de la friccin en el flujo a travs de toberas rectas 753.4.1 Eficiencia politrpica 753.4.2 Coeficientes de prdida 793.4.3 Eficiencia de toberas 823.4.4 Flujo Fanno combinado y cambio de rea 843.5. Supersaturacin 903.6. Expansin de Prandtl-Meyer 923.6.1 Ondas de Mach 923.6.2 Teora de Prandtl-Meyer 933.7. Flujo que sale de la tobera de una turbina 100Ejercicios 103

4. Los principios de anlisis de Turbomquinas 105x CONTENIDOS

vii

4.1. Tringulo de velocidades 1064.2. Momento de balance de momentum 1084.3. La transferencia de energa en turbomquinas 1094.3.1 Entalpia y trabajo especfico en trminos de las velocidades 1134.3.2 Grado de reaccin 1164.4. Utilizacin 1174.5. Escalado y semejanza 1244.5.1 Similitud 1244.5.2 Flujo incompresible 1254.5.3 Parmetro de forma o de la velocidad especifica 1284.5.4 Anlisis de flujo compresible 1284.6. Caractersticas de rendimiento 1304.6.1 Mapa de rendimiento del compresor 1314.6.2 Mapa de rendimiento de la turbina 131Ejercicios 132

5. Turbinas de vapor 135

5.1. Introduccin 1355.2. Turbinas de impulsin 1375.2.1 Turbina de impulso de una etapa 1375.2.2 Presin compuesta 1465.2.3 Formas de hoja 1505.2.4 Velocidad compuesta 1525.3. Etapa con reaccin cero 1585.4. Coeficientes de prdida 160Ejercicios 162

6. Turbinas axiales 165

6.1. Introduccin 1656.2. Anlisis de la etapa de la turbina 1676.3. Flujo y carga de coeficientes y relacin de reaccin 1716.3.1 El cincuenta por ciento (50%) por etapa 1766.3.2 Cero por ciento (0%) etapa de reaccin 1786.3.3 Apagado-operacin de diseo 1796.4. Flujo tridimensional 1816.5. Equilibrio radial 1816.5.1 Flujo de vrtice libre 1836.5.2 ngulo de la hoja fija 1866.6. Flujo de masa constante 1876.7. Eficiencia y prdidas de turbina 1906.7.1 Coeficientes de prdida de Soderberg 190

6.7.2 Eficiencia de etapa 1916.7.3 Perdida de presin por estancamiento 1926.7.4 Tablas de rendimiento 1986.7.5 Correlacin Zweifel 2036.7.6 Adems discusin de las prdidas 2046.7.7 Correlacin Ainley-Mathieson 2056.7.8 Prdida secundaria 209

6.8 Turbina multietapa 2146.8.1 Factor de recalentamiento en una turbina multietapa 2146.8.2 Politrpica o eficiencia de pequea etapa 216Ejercicios 217

7. Turbinas multietapas 221

7.1. Anlisis de la etapa del compresor 2227.1.1 Temperatura de la etapa y del aumento de la presin 2237.1.2 Anlisis de una etapa de repeticin 2257.2. Diseo de deflexin 2307.2.1 Mapa de rendimiento del compresor 2347.3. Equilibrio radial 2357.3.1 Distribucin de velocidad del vrtice libre modificado 2367.3.2 Distribucin de velocidades con exponente de potencia cero 2397.3.3 Distribucin de velocidades con exponente de primera potencia 2407.4. Factor de difusin 2427.4.1 Momentum espesor de una capa lmite 2447.5. Eficiencia y prdidas 2477.5.1 Eficiencia 2477.5.2 Clculos paramtricos 2507.6. Cascada aerodinmica 2527.6.1 Formas de hoja y trminos 2527.6.2 Fuerzas de la lmina 2537.6.3 Otras prdidas 2567.6.4 Rendimiento del difusor 2577.6.5 Flujo de desviacin y la incidencia 2577.6.6 Compresor multietapa 2597.6.7 Efectos de compresibilidad 261Ejercicios 262

8. Compresores y bombas centrfugas 265

8.1. Anlisis de compresor 2668.1.1 Factor de deslizamiento 2678.1.2 Relacin de presin 269

8.2. Diseo de entrada 2748.2.1 Asfixia del inductor 2788.3. Diseo de salida 2818.3.1 Caractersticas de rendimiento 2818.3.2 Relacin de difusin 2838.3.3 Altura de la hoja 2848.4. Difusor sin paletas 2858.5. Bombas centrfugas 2908.5.1 Rapidez especfica y dimetro especfico 2948.6. Aficionados 3028.7. Cavitacin 3028.8. Difusor y la voluta de diseo 3058.8.1 Difusor sin paletas 3058.8.2 Diseo de voluta 306Ejercicios 309

9. Turbinas con radiales de flujo de entrada 313