REGULACIÓN DE TURBOMÁQUINAS

FUNCIONAMIENTO DEL TC FUERA DEL PUNTO DE DISEÑO

Se calculan para funcionamiento óptimo (máximo rendimiento)

• Caudal• Revoluciones• Relación de compresión• Pe y Te del gas

A veces es necesario

• Variar Pf• Caudal

Sólo en el primer caso, para un ángulo de ataque (α = 0) no hay separación y desprendimiento de la corriente a la entrada (rendimiento óptimo). En los otros dos casos, para (α > 0) la separación se verifica en la parte cóncava y para (α < 0) la separación se verifica en la parte convexa.

Con el gasto nominal para el cual ha sido diseñado, GN

Con gasto, G > GN

Con gasto, G < GN

FUNCIONAMIENTO INESTABLE (SURGING O BOMBEO)

En los turbocompresores, para cada valor de n hay un caudal mínimo por debajo del cual el flujo se rompe y su funcionamiento se vuelve inestable.

Al disminuir el gasto másico por debajo del 35% del de diseño (cargas reducidas), la cantidad de fluido no es suficiente para que el compresor pueda generar la presión reinante en el escape, y es por este motivo que el fluido saliente del rodete al difusor tiende momentáneamente a refluir, originándose un flujo de retroceso, desde el difusor hacia el rodete, acompañado de vibraciones, ruido y desprendimiento de la capa límite, que se conoce con el nombre de bombeo,

Descendiendo levemente la presión de escape; en esta nueva situación, y cuando ha entrado en el rodete suficiente fluido de reflujo, la compresión normal se restablece nuevamente, descargándose el fluido al difusor, momento en el que otra vez se vuelve a repetir el proceso inestable, y así sucesivamente.

Este fenómeno es ruidoso y origina una sobrecarga en los cojinetes así como temperaturas de descarga excesivas a causa de que el mismo fluido se comprime repetidamente.

En consecuencia hay que evitar las condiciones que ocasionan este mal funcionamiento y de ahí la existencia, para cada velocidad de giro, de un valor mínimo del caudal Q tanto más pequeño cuanto menor sea n, por debajo del cual el funcionamiento se hace inestable.

El lugar geométrico de estos valores mínimos constituye la denominada curva límite de compresión o de bombeo, siendo el turbocompresor axial más sensible a este fenómeno, mientras que el turbocompresor radial tiene una zona de funcionamiento estable mayor.

Ensayo elemental de un TC

REGULACIÓN DE TURBOMAQUINASTURBOCOMPRESORES

A- Gasto de gas variable a presión constanteB- Suministro de gas constante a presión variable

Procedimientos

-- Estrangulando la corriente en la impulsión- - Estrangulando la corriente en la admisión- - Variando la velocidad- - Variando la orientación de los alabes fijos- - Variando la orientación de los alabes móviles- -By pass

TURBINAS DE VAPORPotencia P=G.Ys.η suponiendo que η es máximo se varia G o Y

ProcedimientosRegulación por estrangulamiento CUALITATIVARegulación por grado de admisión CUANTITATIVAMixtaBy Pass

TURBINAS DE GAS

Un eje reguladas por T3 limitando la velocidadUn eje reguladas por la velocidad limitando T3Unindades de eje partido o turbina libre

Se pueden distinguir dos exigencias de servicio

1) Caudal volumétrico variable a la entrada (QE) y presión de salida (pF) constante

2) Caudal volumétrico (QE) constante a la entrada y presión de salida (pF) variable.

Turbocompresores

Estrangulamiento de la corriente en la impulsión

El TC sólo puede funcionar según la línea roja Que corresponde a la velocidad n=cte.

Con la válvula totalmente abierta el compresor funciona en F correspondiente al caudal máximo QEmax.

Cerrando la válvula de manera conveniente se Hace trabajar al TC a un caudal intermedio como por ejemplo el QEF´

La presión a la salida del compresor pF´ menor que pF

Se dice que hay una pérdida

 

Representación en plano h-S

REGULACIÓN A CAUDAL CONSTANTE

Se quiere mantener QE constante.Inicialmente la presión es pF´, si no hubiera regulación y la presión cayera a pF el caudal aumentaría hasta QEF. Cerrando la válvulaPodemos tener nuevamente QE y el compresor trabaja a pF´ y otra vez existe la pérdida

Más favorable que la anterior por el hecho de que la densidad del gas baja con el estrangulamiento disminuye de esta forma la potencia de accionamiento.

Estrangulamiento en la aspiración

Se logra al igual que en el caso anterior una regulación tanto a presión constante como a volumen constante

La principal ventaja radica en el hecho de que el TC se aparte de la frontera de bombeo, por lo que se puede trabajar a caudales más bajos de manera estable

BY PASS

La válvula de by pass es actuada por la presión de salida o el caudal de entrada según se desee.Al abrir la válvula de by pass se obtiene el caudal máximo con menor presión dado que varios escalonamientos han quedado inactivos. Las pérdidas con esta regulación también son menores que las de regulación por estrangulamiento

Regulación de un TC por expulsión del gas en un punto intermedio

Cuando se quiere comprimir una cantidad variable de aire a una presión constante a la salida. Cuando G desciende a Gmin por debajo del cual se entra a funcionamiento inestable, se abre una válvula que pone en contacto con el exterior, desde ese momento el compresor sigue impulsando la misma cantidad de aireLa diferencia ΔG=Gmin-Gu (donde Gu es el gasto utilizado en la red) origina una pérdida de potencia, tanto mayor cuanto menor sea el gasto utilizado, pero pudiendo descender a cero sin peligro.

REGULACIÓN POR VARIACIÓN DEL NÚMERO DE REVOLUCIONES

El accionamiento se produce por medio de un motor Diesel, una TV, un motor eléctrico de velocidad regulable o un motor de velocidad constante con una caja de velocidades.

D-F representa la demanda de presión constante a la Salida. Mediante la variación de velocidad se puede obtener cualquier caudal entre los valores máximo y mínimo

Si la demanda es de caudal constante por ejemplo QE los puntos de funcionamiento se encuentran en la línea F´C.

Regulación de un turbocompresor actuando sobre el motor de accionamiento a)Para presión de salida constante (línea de regulación a)b) Para caudal volumétrico a la entrada constante (línea de regulación b)

En ambas regulaciones, la presión o el caudal existente en el Venturi envía una señal al controlador de impulso de regulación.

Esta regulación es de gran rendimiento porque en ella no existe la pérdida de presión que aparce en la regulación por válvulas.

CURVA DE RENDIMIENTO TOTAL DE UN TC REGULADO CON ALABES ORIENTABLES

Se utiliza en los TC axiales.

La curva de rendimiento en función de QE en este tipo de compresor es la envolvente de las curvas de rendimiento parciales correspondientes a cada rodete (o cada ángulo). Al variar el caudal y orientar los alabes todo sucede como si se cambiara el rodete por otro acomodado al nuevo caudal. Se obtienen de esta Forma curvas n=f(QE) que son altamente favorables.

Curvas características típicas de un turbocompresor axial para distintos valores de la velocidad de giro y curvas de rendimiento constante

Curvas características típica de un turbocompresor axial para distintas posiciones de los alabes del estator α y curvas de rendimiento constante (SULZER)

Límites de operación de turbocompresores axiales correspondientes a dos sistemas de control A) Por variación de la velocidad de giro, b) Por ajuste de los alabes del estator (SULZER)

FUNCIONAMIENTO DE LA TURBINA DE VAPOR FUERA DEL PUNTO DE DISEÑO

1- Cono de gasto de vaporSTODOLA

2- curva de potencia útil en función del gasto de vapor

22

22

KDAD

KA

DD pp

pp

T

T

G

G

VGPG . Curva de Willans

a. A pA=cte -----Elipsesb. A G=cte ------Hiperbolas D´´Ac. A pK=cte------B´´D´´, B´D´ caso particular, si G=0 pA=pK ----recta OBd. Si pK=0 ------- plano pA G - --recta OA

CONO DE STODOLA

Curva de Willans – Turbinas de condensación

REGULACIÓN POR LAMINADO

Regulación por laminado de presión

Característica ppal.Entalpía constante A – A´

Reemplazando en la relación de STODOLA es posble sacar las curvas de performance de la máquina.

Regulación por variación de presión en la caldera.

Esta el punto A se desplaza por una isoterma entonces cae por ejemplo en A´´ con una caída correspondiente H´´.Difícil de emplear por su inercia

Admisión parcial

El vapor en la entrada se desplaza sobre la politrópica p.Vn=cte (n=1,08)

AB: Evolución en el primer escalónCURTIS (rendimiento diminuido)BC: Resto de la máquina a plena carga. PARSONS

FUNCIONAMIENTO DE LA TURBINA DE GAS FUERA DEL PUNTO DE DISEÑO

22

22

KDAD

KA

DD pp

pp

T

T

G

G

También se aplica la ley del cono de STODOLA

COMPRESOR – CC - TURBINA

FORMAS MAS COMPLEJAS

El motor TG funciona como conjunto , se debe conseguir que:

a) Alto rendimiento de toda la gama de cargas previstasb) T3 no debe exceder T3 LIM

c) El compresor debe funcionar siempre en zona establed) Llama en cc no debe interrumpirse por ninguna razón

Motor TG

Grupos de un solo eje

Velocidad constante

Velocidad variable

Curvas características de la turbina - Expansor

Curvas operativas de una máquina de un ejeControl por medio de la temperatura, manteniendo limitada la velocidad de giro

Ciclo operativo de un motor de turbina de gas con regulación por medio de la temperatura a velocidad constante

Regulación por medio de la velocidad del eje a temperatura constante e unidades de un eje

Modificación del ciclo operativo en unidades de un solo eje al reducir la velocidad.

Regulación con cambio de la velocidad y la temperatura

Tendencia general de las curvas de funcionamiento de los motores TG de dos ejes o eje partido (HISPANO SUIZA)