Tema 7. Turbocompresores

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Mquinas fluidomecnicas (3 Grado en Ingeniera Mecnica)

Generalidades. Los turbocompresores son turbomquinas trmicas generadoras en las que por

absorcin de energa mecnica del exterior se aumenta la energa en el fluido que atraviesa la mquina. Se utilizan para comprimir gases, recibiendo comercialmente el nombre de turbosoplantes cuando su relacin de compresin est entre 11 y 25. Los ventiladores, con relaciones de compresin inferiores a 11, se tratan como mquinas hidrulicas debido a la pequea variacin que experimenta el volumen especfico del gas que atraviesa la mquina.

Los turbocompresores son adecuados para elevados caudales y relaciones de compresin bajas o medias, los alternativos, por el contrario, se adaptan mejor a caudales reducidos y relaciones de compresin medias a altas. Los rotativos volumtricos presentan caractersticas intermedias y su uso est menos generalizado, ya que su campo de aplicacin puede ser cubierto en muchos casos por los dos tipos anteriores.

Los turbocompresores presentan las caractersticas tpicas de las turbomquinas, es decir, reducido peso y volumen, seguridad de servicio, largo periodo entre revisiones, perfecto equilibrado (sin vibraciones) Por estas razones van desplazando progresivamente a los compresores de desplazamiento positivo a aplicaciones muy especficas.

Los turbocompresores se pueden clasificar en centrfugos y axiales.

Los centrfugos pueden presentar flujo simplemente radial, diagonal o combinacin de ellos. En muchos casos a la entrada del rodete el flujo puede ser incluso axial. Un turbocompresor ser centrfugo cuando las velocidades del labe o perifricas de las secciones medias de entrada y salida son sustancialmente diferentes. Si estas velocidades son prcticamente iguales, el turbocompresor ser axial.

Los turbocompresores centrfugos presentan fundamentalmente las siguientes ventajas frente a los axiales: son de fcil diseo, presentan una relacin de compresin ms elevada por cada escalonamiento (puede llegar hasta a 6) y son ms estables en lo que respecta al fenmeno de bombeo o entrada en prdida.

Los turbocompresores axiales presentan las siguientes ventajas frente a los centrfugos: mejor rendimiento y menor seccin frontal (caracterstica importante en



aviacin). Por el contrario, la mxima relacin de compresin de un escalonamiento axial se sita en 15.

Curvas caractersticas de los turbocompresores Un turbocompresor se disea de manera que para un cierto caudal o flujo

msico ( m ), una cierta relacin de compresin () y un cierto nmero de revoluciones (n), el rendimiento sea ptimo. Este es el denominado punto nominal.

Sin embargo, al compresor se le exigen normalmente unas condiciones de trabajo diferentes de las nominales, por lo que interesa conocer su comportamiento en distintas condiciones de servicio.

Llevando al eje de abscisa el caudal volumtrico a la entrada del compresor y al eje de ordenadas la relacin de compresin, a cada par de valores QE, corresponder un punto en el plano. Se denomina campo caracterstico del compresor a la porcin del plano QE, accesible por el compresor o, lo que es lo mismo, al lugar geomtrico de los puntos del plano en los que es posible el funcionamiento del compresor.

Para estudiar el comportamiento del compresor se mide el caudal a la entrada, presin de entrada y salida, el nmero de revoluciones, el par de accionamiento, temperaturas y presin baromtrica de entrada y temperatura de salida.

Ensayo elemental y completo:

El nmero de revoluciones se mantiene constante, varindose la presin y el caudal mediante la estrangulacin de una vlvula en la impulsin o en la admisin.

En cada punto se mide el caudal, presiones y temperaturas, as como el par y el nmero de revoluciones, con lo que se calcula el rendimiento total.

Tomando rendimientos constantes y bajando al grfico relacin de compresin-caudal se construye el diagrama de curvas en concha o colina de rendimientos.



La curva del rendimiento en funcin del caudal en el compresor radial es ms plana que la del compresor axial, como se pone de manifiesto en el siguiente grfico:



Del anlisis de las dos curvas se deduce que el axial (derecha), aunque tiene mejor rendimiento, presenta variaciones ms acusadas de la relacin de compresin y del rendimiento con el caudal que el centrfugo.

Fenmeno de bombeo y curva lmite de bombeo:

El caudal, tanto en el compresor radial como en el axial, slo puede disminuir cuando se aumenta la relacin de compresin, pero esta llega a un valor lmite, que es distinto para cada nmero de revoluciones. El lugar geomtrico de los puntos de funcionamiento lmites es la curva lmite de bombeo.

Al disminuir el caudal por debajo de dicho lmite la difusin inherente al proceso de compresin es excesiva y la corriente se desprende de las paredes del compresor, originndose un retroceso de la misma que es acompaado de vibraciones y ruido. Se dice entonces que el compresor bombea, presentando el compresor en estas condiciones un funcionamiento fuertemente inestable.

El turbocompresor axial es ms propenso al bombeo que el radial, lo que constituye una ventaja de este ltimo. Por esta razn en las turbinas de gas usadas como motor de autobuses y camiones, donde se requiere estabilidad en condiciones de servicio muy variables, se prefiere el compresor radial.

Turbocompresor centrfugo. El compresor centrfugo puede tener uno o varios escalonamientos:



Esta figura representa el corte longitudinal de dos escalonamientos de un compresor centrfugo de mltiples escalonamientos, consta de:

1.- dispositivo de admisin, desde donde se pasa al primer escalonamiento.

2.- rodete, del primer escalonamiento, dotado de un cierto nmero de labes.

3.- difusor.

4.- canal de reversin del flujo, que dirige el flujo hacia el siguiente rodete. 5.- rodete del segundo escalonamiento.

El rodete es el rgano ms importante del turbocompresor, construyndose segn los cuatro tipos que se representan en la siguiente figura:

a) Abierto. Los labes se fijan slo al eje del rodete. b) Semiabierto. Los labes se fijan a un solo disco. c) De doble aspiracin. El caudal aspirado es el doble que el de un rodete

sencillo.



d) Cerrado. Los labes se fijan a la cara anterior o lado de aspiracin (1) y a la posterior (2).

El rodete abierto tiene poca resistencia y es cada vez menos empleado. Por el contrario el rodete semiabierto se emplea hoy muy frecuentemente.

Los labes en esta clase de construccin son con frecuencia de salida radial, pero cerrados a la entrada, de manera que 1 (ngulo de la velocidad relativa a la entrada) sea el exigido por una entrada axial de la corriente absoluta ( 901 = ). La salida de estos labes es radial ( 902 = ). De este modo, se reducen los esfuerzos centrfugos prcticamente a esfuerzos de traccin, lo que facilita la fijacin de los



labes en un solo disco. Con este tipo de rodetes se obtienen velocidades perifricas superiores a los 450 m/s. Se construyen con frecuencia fresados de una sola pieza forjada.

La entrada axial de la corriente absoluta es tpica, y con ello se evita una corona directriz de entrada, que sera necesaria para imprimir a la corriente absoluta una rotacin ( 0,90 11 >< uc ) o una contrarrotacin ( 0,90 11 uc ), ya que la corriente en virtud de la fuerza centrfuga entra de por s sin rotacin ( 0,90 11 == uc ). En este caso la ecuacin de Euler se simplifica, quedando uu cuw 22 = , siendo la energa

perifrica mayor que cuando 901 , donde uuu cucuw 1122 += .

El ngulo 2 es fundamental en el diseo de un turbocompresor. Los labes se clasifican en: labes curvados hacia atrs ( 902 ).

Los turbocompresores con labes curvados hacia atrs son de funcionamiento ms estable y de uso frecuente en aplicaciones industriales. Los labes radiales resultan constructivamente ms adecuados para soportar elevadas velocidades perifricas, emplendose en pequeas turbinas de gas y en grupos de sobrealimentacin. Los de labes curvados hacia delante, a pesar de su ms elevada relacin de compresin, son de menos utilidad por su funcionamiento ms inestable.

Cuando se emplean labes en el difusor, conviene dejar a la salida del rotor una zona de 2 a 8 cm. sin ellos para evitar ruidos. El nmero de labes del rotor y del estator deben ser primos entre s para evitar fenmenos de resonancia.



Estudio termodinmico del compresor centrfugo:

A continuacin se representa la evolucin del fluido desde el estado de parada del medio ambiente (0) hasta la salida del compresor (3).

La evolucin 0-1 (medioambiente rotor) queda caracterizada por la expresin:

22

21

1

20

01000chchhh +=+=

En la evolucin 1-2 (rodete o rotor) se cumple que, para un observador fijo:

2

21

22

121020cchhhhw +==

222

22

21

21

22

21

22 wwuuccw

+

+

=

uu cucuw 1122 =

Para un observador mvil:

2

21

22 uu



2

21

22

1020uuhh RR

=

Por otra parte, la evolucin en el difusor o estator queda caracterizada por la expresin:

22

23

3

22

23020chchhh +=+=

La relacin de compresin del turbocompresor, incluida la evolucin 0-1, ser

10

30p

p. El rendimiento se puede definir como:

w

hhhhhh ss

C00'30

0030

00'30 =

=

Para un turbocompresor centrfugo y entrada axial, el grado de reaccin se calcula como:

1020

12

1030

12

hhhh

hhhhR

=

=

Se cumple que:

22

21

22

22

21

12uuwwhh += y { } uuu cucucuhh 22111221020 90 ====

Suponiendo que se conserva la velocidad meridiana se tiene:

21

2211

21

21

21 como ucwccucw aa +==+=

222222 cotancos au cuwuc ==

22222

2 cotan aa ccw += Sustituyendo estas expresiones en la definicin del grado de reaccin se deduce

que:

( ) ( ) ( ) ( )222

2222

2

222

21

222

22221

2

222

21

22

22

21

1020

12

cos2cotan

cos2cotan

cos2

cu

cu

cu

uuccuc

cu

uuww

hhhhR aaaa =++=+=

=

( ) 22222

222

2222

2

222

2222

2 cotan22

12cotan

cotan2cotan

cos2cotan

u

c

u

cu

cuu

cu

cu

cuR aaa

aa +=+

=

=

=



Turbocompresor axial

La figura muestra un escalonamiento de un compresor axial en corte longitudinal y un desarrollo cilndrico del mismo por el dimetro medio dm. En este desarrollo se ve

==

>

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