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TURBOMQUINAS TRMICASQ

Compresores Axiales

Prof. Miguel ASUAJEMarzo 2012

ContenidoCompresores Axiales

I t d iIntroduccinEtapa de un compresorTringulo de VelocidadesCambio de propiedades en un compresorLa Difusin

EstudioAngulo de IncidenciaPerfiles

Anlisis de la EtapaDiagrama h-s o Diagrama de Mollier

Trabajo EspecficoIncremento de Temperatura en la EtapaEficiencia Adiabtica de una Etapa

Prdidas en la Etapa

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Contenido

Compresores AxialespGrado de ReaccinCarga de la etapaFuncionamiento fuera del punto de operacinRelacin de Compresin de Varias etapasPrdidas en una Etapa y Rendimiento

El compresor es una mquina que sirve para hacer ganar unaenerga a un fluido compresible, generalmente bajo la forma de

Introduccin

Alabes de RotorAlabes de Estator Eje Accionador

energa a un fluido compresible, generalmente bajo la forma depresin

Alta PresinBaja

Presin

Los propsitos bsicos de un compresor son:- Aumentar la presin- Entregar un flujo msico o volumtrico.

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Introduccin Los primeros compresores axiales utilizados

fueron turbinas con sentido de giro inversofueron turbinas con sentido de giro inversoOfreca eficiencias menores a 40% para mquinas de

gran relacin de compresin.La razn de esta baja eficiencia es lo que hoy se conoce comoStall. Para entonces, los compresores centrfugos posean unaeficiencia del 80-90%.

Luego de los estudios y pruebas de A. A. Griffitg y p(1926) en compresores axiales

Se alcanzaron eficiencias cercanas a 90% para bajasrelaciones de compresin.

Fluidodinmica del proceso de compresin de flujo

Fluidodinmica asociada al proceso de expansin en turbinas

Al acelerar bruscamente un flujo como es el caso

Introduccin

de las turbinas axiales existe una pequeavariacin en la presin de estancamiento.

No ocurre lo mismo para el caso de una desaceleracinbrusca, ya que existir un fuerte desprendimiento que setraducir en grandes prdidas de energa.

Por esta razn limitaciones para los Por esta razn limitaciones para los compresores axiales como etapas de baja relacin de compresin para lograr un gran rendimiento

Compresor axial mquina que necesita gran nmerode etapas para poseer gran eficiencia

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Los Compresores

Alabes de RotorAlabes de Estator Eje Accionador

Compresor Multietapas

IntroduccinLos compresores convierten la energa cintica en presinprincipalmente por medios aerodinmicos, en contraste con lasprincipalmente por medios aerodinmicos, en contraste con lasturbinas axiales en las que sus rejillas de labes actan comoaceleradores de flujo. Es por esta causa que los labes de lasturbinas son mas estables en trminos aerodinmicos que las de loscompresores y por lo tanto las turbinas mas fciles de disear.

labes de Turbina Axial labes de Compresor Axial

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Premisas en el estudio de un Compresor Axial

La velocidad en la direccin radial es igual a ceroes igual a cero

Se estudian en el plano medio del labe (representativo de la etapa)

o Si la relacin de envergadura respecto a la cuerda no es grande

Flujo en rgimen permanente, incompresible, infinito nmero de labes

La velocidad axial Cx permanece constante en el paso de una etapa a otra

Etapa Normal

Etapa Normal de un Compresor AxialEn una etapa normal las velocidadesabsolutas a la entrada y de salida son 2W

r 2Cr

1Wr

r

Ur

absolutas a la entrada y de salida soniguales en magnitud y en direccin

1 3 =31 CCrr

=

Por continuidad 333222111 XXXCACACA

2

22W

1Cr

1

1

XCr

332211 AAA Como sabemos en las TMT las densidades en cada una de las etapas cambia, por

lo tanto, la ALTURA de los labes en cada etapa debe disminuir gradualmente para compensar el aumento de densidad y compensar la ecuacin de

continuidad!!!

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Etapa de un Compresor AxialPrimero, debemos saber que :

La etapa de un compresor est compuestapor un estator y un rotor

Entrada al rotor

Salida del rotor y entrada al estator

1

2

Rotor Estator

1 2 3

y

Salida del estator3

La etapa de un compresor est compuesta por una rejilla de labes enl t id jill d l b l t t l fl id d

Etapa de un Compresor Axial

el rotor seguida por una rejilla de labes en el estator y el fluido detrabajo pasa a travs de stas sin cambios significativos en el radio(distancia entre la base y la punta del labe).

En compresores es usual el empleo de mltiples etapas paradesarrollar altas relaciones de presin

Estator Radio medio (rm)

El fluido recorre axialmenteel compresor a una distanciamedia entre cubo y punta(rm)Rotor

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IGV

Vista Meridional

1 IGV Inducen rotacin en

Etapa de un Compresor Axial

IGVEstator

CS

1. IGV Inducen rotacin en la primera etapa.

2. Conjunto rotor-estator

3. Contraccin de rea para mantener velocidad meridional ya que el gas aumenta su densidad

Rotor

Eje de Rotacin

rmaumenta su densidad durante la compresin.

4. Radio medio Constante

En la prctica los puntos 3 y 4 no son limitantes en cuanto el diseo, sin embargo estas conllevan a importantes simplificaciones en el estudio.

La Difusin

La difusin es un proceso crtico, que debe ser bien estudiado

StallPara grandes variaciones de rea

Separacin del flujo de las paredes (del labe o del anillo de flujo)

A pequea En general

p , qpara recuperar la presin de forma ptima

o del anillo de flujo) bajo la accin de un gradiente de presin adverso

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Difusin del fluido:

La Difusin

Proceso dinmico donde el fluido es desacelerado

Direccin de Flujo En un compresor axial, los labes del rotor y del estator se disponen con el fin de desacelerar el fluido

Garganta Throat: Garganta Throat: seccin de menor rea

El cambio de rea en la seccin de flujo de un d l t i d

Difusin y Stall. Efecto de la incidencia

compresor es muy pequeo, de lo contrario puedeocasionarse Stall.

Stall Separacin del flujo delas paredes (labes oanillo de flujo) bajo laaccin de un gradienteaccin de un gradienteadverso de presin..

m.

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A U constante, si el flujo msico sereduce 1 aumenta, y tambin laVector de Velocidad

Difusin y Stall. Efecto de la incidencia

reduce 1 aumenta, y tambin laincidencia i=1-1 (incidencia +).

De esta forma el fluido es aceleradolocalmente y el perfil de flujo sufreuna difusin a travs de los labes.

A incidencias suficientemente altas,las fuertes redifusiones consecuentes

Caudal de diseo

Velocidad

separarn eventualmente al flujo delextrads del labe, creando unacondicin de stall.

El stall reduce el rango de operacinestable de los compresores alprovocar el desprendimiento delfluido.

Posible Stall a bajo flujo

CaudalParcial

Di i

Stall Rotativo

Zo de

Fluido Retardado

Direccin de Rotacin

Zona de Stall

Direccin de Propagacin

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Curvas Caractersticas.LMITES STALL

Curvas Caractersticas.EFECTO DE LABES AJUSTABLES

Las labes gua (IGVs) o estatores Las labes gua (IGVs) o estatores intermedios estn conectados a la carcasa y en algunos tipos de compresores se pueden ajustar de forma manual o automtica. Estos labes ajustables tiene un efecto apreciable en el rango de operacin estable.

Se utiliza con frecuencia para cambiar el rango de operacin. Tambin se utiliza para permitir que el compresor pueda operar en un rango de mxima eficiencia bajo diferentes condiciones de entrada o cambios en la composicin del fluido.

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Antes del rotor

Cambios de propiedades y velocidades en la etapa

p

ho

El fluido se aproxima con una velocidad relativa de gran magnitud y gran energa cintica (W)

En el Rotor Difusin

Trabajo

Wr

Cr

po

p

WC En el Estator Difusin

del Rotor

p

C

Cr

Tringulos de Velocidades 1Wr

1Cr

1 1

Rotor Ur

2Wr

r

2Cr

22

Ur

1

3Cr

3

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Tringulos de Velocidades de Base Comn

1Wr

1CrY+

1 1

Rotor Ur

2Wr

r

2Cr

22

Solapando los tringulos a la entrada ysalida del rotor, obtenemos..

X+

Ur

1

3Cr

3

Analizando el recorrido del flujo por el compresor en la primera etapa se tiene que: CX=CS

Anlisis Adimensional.Tringulo unitario

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X S

C1W1

U

IGV

Rotor U

C2W2U

22

C3=C13

Estator

3 = 1

1

W1/U

W2/U

C2/U

C1/U

22

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El triangulo se mantiene para todas las etapas (s perfiles existen semejantes en los labes de las etapas para rm)

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Diagrama de Mollier

relrel hh 0201 =

1

22 11 222

211 2

121 WhWh +=+

0302 hh =233

222 2

121 ChCh +=+

Trabajo de una etapa de Compresin

hhWW &En su forma ms general tenemos que:

Rotor

1

0103 hhmWW == &

Por otra parte, la ecuacin de Euler en su forma msgeneral:

2

3

EstatorA travs del estator h0 es constante, por lo tanto:

( ) 0010201020203 TCTTChhWhh PP ====

CUCUW =Buscando relacin con los tringulos develocidades podemos llegar a:

( )12 yy ccUW =

1122 CUCUW =

2

22Wr 2C

r

1Wr

1Cr

1

1

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Anlisis Adimensional.Trabajo de una etapa de Compresin

Coeficiente o factor de