COMPRESORES CENTRIFUGOS

En este tipo de mquinas, el fluido se considera compresible. La forma que tiene de comprimir un gas es totalmente diferente a la del compresor alternativo debido a que no es una mquina de desplazamiento positivo; funcionando contra una vlvula cerrada no generara una presin excesiva. En el compresor de desplazamiento positivo el aumento de presin del vapor se consigue modificando el volumen interno de la cmara de compresin, mientras que en el turbocompresor se alcanza sin alterar dicho volumen.

Los motores de turbina de flujo centrfugo normalmente usan compresores de acero o titanio mecanizado, aunque en motores pequeos se estn usando compresores de fundicin.

FUNCIONAMIENTO Y APLICACIN

El aire entra en el ojo o centro del impulsor que gira a altas vueltas y es acelerado a una gran velocidad a medida que es lanzado hacia la periferia o borde exterior por la fuerza centrfuga. Entonces el aire a alta velocidad fluye dentro del difusor que se ajusta estrechamente alrededor de la periferia del impulsor. All fluye a travs de conductos divergentes donde parte de la energa de velocidad se transforma en energa de presin. El aire con su velocidad reducida y su presin aumentada, fluye dentro del colector a travs de una serie de labes fijos curvos. Desde el colector, el aire fluye dentro de la seccin de combustin del motor. La relacin de compresin de un compresor centrfugo de una sola etapa normalmente est en la gama de 6:1 a 7:1. El volumen de aire que puede moverse por un compresor centrfugo de una sola cara activa se determina por el dimetro del compresor. Si el dimetro es demasiado grande, la velocidad de la punta llegar a ser demasiado alta, y el rendimiento disminuir. Los compresores de gran dimetro tambin requieren que el motor sea grande y por lo tanto difcil de aerodinamizar. Cuando se necesita un gran volumen de aire, puede usarse un compresor de doble cara activa. Un problema importante con los compresores de doble cara activa es la dificultad en el diseo de conductos de entradas efectivos para suministrar aire a la seccin posterior. Esto normalmente se hace llevando al aire dentro de una cmara plenum donde la velocidad del aire que llega se convierte en presin y alimenta a ambas secciones del compresor, la anterior y la posterior.

Los compresores centrfugos se usaron en muchos de los primeros motores de turbina de gas por su robustez, poco peso, fcil construccin, y alta relacin de presin por cada etapa de compresin.Los compresores centrfugos se usan industrialmente por varias razones: tienen menos componentes a friccin, tambin relativamente eficientes, y proporcionan un caudal mayor que loscompresores reciprocantes(o de desplazamiento positivo) de tamao similar. El mayor inconveniente es que no llegan a la relacin de compresintpica de los compresores alternativos, a menos que se encadenen varios en serie. Los ventiladores centrfugos son especialmente adecuados para aplicaciones donde se requiere un trabajo continuo, como el caso de sistemas de ventilacin, unidades de refrigeracin, y otras que requieran mover grandes volmenes de aire aumentando su presin mnimamente. Por otro lado, una serie de compresores alternativos tpicamente llegan a conseguir presiones de salida de 55 a 70 MPa. Un ejemplo de aplicacin de compresores centrfugos es la reinyeccin de gas natural en los pozos de petrleo para su extraccin.Muchos compresores centrfugos se usan tambin en pequeasturbinas de gascomo APUs (generadores auxiliares) y motores turborreactores de pequeas aeronaves (turbo ejes de helicpteros y algunos turbohlices). Una razn significativa de ello es que con la tecnologa actual, uncompresor axialque opere con estos volmenes de aire sera menos eficiente por las prdidas en las tolerancias del rotor y el estator. Hay muy pocos compresores centrfugos de un slo escaln capaces de entregar una relacin de compresin de 10 a 1, principalmente por las cargas mecnicas que soportan y que limitan su seguridad, fiabilidad y vida del producto.En el caso especfico de los motores para aeronaves mencionados anteriormente, una gran ventaja es la simplicidad de los compresores centrfugos y su precio relativamente bajo. Requiere menos escalones que un compresor axial para conseguir el mismo incremento de presin, ya que el cambio de radio desde la entrada al rotor al borde de salida es tan acusado que la energa del aire aumenta mucho en un corto espacio.

TRIANGULO DE VELOCIDADESEsta seccin comprende el estudio de las componentes de la velocidad del flujo en una bomba centrfuga mediante un procedimiento grfico en el que se utilicen las tcnicas vectoriales. La forma dental diagrama vectorial es triangular y se conoce como tringulos de velocidades.Estos tringulos pueden trazarse para cualquier punto de la trayectoria del flujo a travs del impulsor pero, por lo general, slo se hace para la entrada y salida del mismo.Los tres lados vectores del tringulo son:u: velocidad perifrico o circunferencial del impulsor.W: velocidad relativa del flujo.C: velocidad absoluta del flujo.La velocidad relativa se considera con respecto al impulsor y su direccin lleva incorporada la curvatura del alabe del rotor; la absoluta, es la velocidad del flujo y con respecto a la carcaza; esta ltima es siempre igual a la suma vectorial de la relativa y la circunferencias o de arrastres.Las velocidades citadas llevan subndices 1 2 segn sean a la entrada o a la salida, respectivamente.Pueden llevar tambin los subndices 0 y 3 que corresponden a un punto anterior a la entrada del impulsor y a uno posterior a la salida, respectivamente.En la figura se muestra, tal como se los mencionara, los vectores en el impulsor as como los tringulos de entrada y salida. Adems, se muestra como se debe evaluar, a travs de a1 y a2, las distancias para poder calcular las secciones de salidas y de entrada respectivamente..Las componentes de la velocidad absoluta normales a la velocidad perifrica, son designadas como Cm1 y Cm2 para los diagramas de entrada y salida. Esta componente es radial o axial, segn sea el impulsor. En general, se lo llamar meridional y llevar un subndice m.

ESTUDIO TERMODINAMICOEl diagrama i-s de la compresin implica un aumento en la presin de remanso de p01 a p02. La siguiente grafica ilustra las transformaciones isentrpica y real:

INFLUENCIA DEL ANGULO DE ENTRADAPrerrotacion:Se puede inducir prerrotacion en el flujo entrante de una bomba o de un compresor intersectando paletas y guiadoras en el tramo de admisin: en la figura A se representa un mtodo para realizarlo. El objeto es reducir la velocidad relativa de entrada al rodete en la figura B vectorialmente este efecto.Para las paletas guiadoras diseadas para producir un flujo de torbellino libre, la velocidad axial es constante (en ausencia de efecto de viscosidad) y la componente tangencial de la velocidad de Cn vara inversamente con el radio. De este modo, una prerrotacion en el extremo del ojo suficiente para producir la velocidad relativa Ws1 a un flujo respecto del eje en la raz, lo cual, justamente con una velocidad del alabe menor da como resultado un ngulo relativo de flujo Vh1 muy bajo o incluso cero. Este efecto se pone de manifiesto claramente a comparar los diagramas de velocidades de las figuras B y C. Esto puede tener ciertas ventajas en algunos mtodos de fabricacin de rodete.Una desventaja obvia del uso de prerrotacion es que la transferencia de energa se reduce por un termino U1c1. Se observara que esta es una cantidad constante para una distribucin de torbellino libre ya que U1 r y c1 1/r.

RENDIMIENTOEl compresor centrfugo produce, dentro del rango de operacin estable, una carga relativamente constante.

Detalles Asociadosal Rendimiento

Punto de operacin normal: es el puntoptimo de capacidad de carga en el cual se espera que funciona generalmente el compresor. Por lo general se garantiza el rendimiento del compresor en el punto deoperacin normal.

Oleaje: (surge) conocido tambin como bombeo, se refiere a la incapacidad del compresor para mantener el incremento de la presin con caudal reducido. Al iniciarse el oleaje, el compresor pierde de repente su capacidad de desarrollar la presin existente en la tubera de descarga, y el gas se regresa a travs del compresor del sistema de descarga al de succin. La transferencia de masa desdela descarga hasta la entrada baja la relacin de presin a un nivel en donde el compresor es capaz de suministrar la carga requerida nuevamente el flujo positivo hacia adelante.

A medida que el gas se mueve desde el lado de entrada hacia el de descarga, la relacin de presin aumenta nuevamente y el caudal disminuye (siguiendo la curva caracterstica de carga-capacidad), volvindose a repetir el fenmeno

La frecuencia del ciclo del oleaje est influenciada por el volumen de los sistemas de tuberas inmediatas a las bridas del compresor, y por la rapidez de cierre de la vlvula de retencin est retardada por un amortiguador, la frecuencia es baja, por ej.: varios ciclos por minuto.

PERDIDAS

Las prdidas por rozamiento en la rueda fija se pueden estimar con el coeficiente j utilizado para toberas. Las prdidas en la rueda mvil se estiman en base a un coeficiente y que reduce el valor de la velocidad relativa. Este coeficiente de velocidad se determina en base al ngulo total de giro del vector velocidad al pasar por el perfil.

ELECCION DE GRADO DE REACCIONEl grado de reaccin es de la forma:

La energa de presin en el rodete es:

En estas ecuaciones se observa que puede oscilar en un valor mnimo, , y un valor mximo, , siendo los ngulos mximo y mnimo suplementarios.En efecto, en la ecuacin , el valor de disminuye al disminuir hasta cero para:

El grado de reaccin disminuye al aumentar hasta hacerse cero.

RELACION DE COMPRESION

Aceptando la condicin de rendimiento mximo, 1= 90, se demuestra que la mxima relacin de compresin tericamente alcanzable en una etapa vale,De la que se deduce que en un compresor dado, girando a velocidad constante y desplazando un aire determinado, cuanto mayor sea la temperatura de entrada del aire menor ser la relacin de compresin generada.Puesto que la relacin de compresin conseguida no depende de p1 sino de T1, esto quiere decir que si un mismo compresor girando a una velocidad fija comprime aire desde 1 bar a 3 bar, lo comprimir tambin por ejemplo desde 0,2 bar hasta 0,6 bar, siempre que en ambos casos la temperatura T1 a la entrada sea la misma.

ANALISIS DEL SISTEMA DIFUSOR

El rotor incrementa la energa cintica del fluido absorbiendo energa mecnica del eje. La energa mecnica se emplea en vencer el par resistente que provoca la diferencia de presin entre las caras de la paleta.

Para completar la funcin del compresor es necesario convertir la energa cintica en energa de presin, lo que se logra por medio del difusor. Si bien existen difusores supersnicos, que como se ha visto debieran ser conductos convergentes, los ms comunes son los difusores subsnicos, formados por conductos divergentes.

Los difusores utilizados en compresores centrfugos son de dos tipos: de labes y de caracol.

Para el anlisis de ambos tipos de difusores es conveniente primero analizar la trayectoria de una parcela de fluido que abandona el rotor.

Trayectoria del fluido

Planteamos la conservacin de la cantidad de movimiento angular para la unidad de masa: V cos r = constante y la conservacin de la masa en la direccin radial:2.r.p.e.V sen = const, Si el espesor e y la densidad no cambian mucho, de las dos ecuaciones obtenemos la simple relacin: tan b = const

Esta es la expresin abreviada de la espiral logartmica. Luego, al abandonar el rotor el fludo se mueve en una trayectoria espiral.

Usualmente se deja un espacio entre el rotor y el aro del difusor para uniformizar el flujo y para reducir el ruido y las tensiones mecnicas que produce el paso de las paletas del rotor al pasar frente a las paletas fijas del difusor. Este espacio tambin se suele utilizar como difusor sin paletas para reducir la velocidad en el caso que la salida del rotor sea supersnica. La estacin de entrada del difusor se indica con el ndice 3. En este espacio el fluido se mueve en espiral.

Difusor con alabes El difusor de labes consiste en un sector anular que sigue el rotor donde se ubican paletas fijas para formar conductos divergentes. Las paletas pueden ser de espesor constante o tener forma de perfil aerodinmico, o bien forma de cua (wedge). La Figura ilustra el difusor de paletas tipo cua y, en lnea de puntos, como se formara el de perfil aerodinmico:

Difusor sin alabesEl concepto ms simple de un difusor en una maquinaria de flujo radial donde la velocidad tangencial se reduce mediante un aumento del radio (conservacin del momento cintico) y la radial de la velocidad se controla por el rea del fluido. De la ecuacin de la continuidad, puesto que 2bpcr, donde b es la anchura del conducto, entonces:

Ct = (r2 b2 p2 cr2) / (rbp)

Cuando el flujo es sin friccion en el difusor el momento es contante y C = c2r2/r. Ahora bien, la componente de velocidad C es normalmente mucho mayor que la componente radial, por lo tanto la relacin de velocidades de entrada del difusor C2/C3 es aproximadamente a r3/r2 evidentemente se mantienen deducciones tiles de la velocidad, los difusores sin alabes tienen que ser grandes. Es posible que esto no sea una aplicacin industrial donde el tamao y el peso pueden tener una importancia segundaria comparando con el costo de un difusor.

Un factor en favor de los difusores sin alabes es la amplia funcionamiento que se puede obtener siendo los difusores mas sensibles a la variacin del flujo a causa de los efectos.

Difusor radial de paredes paralelas en flujo incompresible es constante y por lo tanto tang = c/cr = constante, bajo estas condiciones el flujo mantiene una inclinacin constante respecto a los rodetes, y la trayectoria de flujo describe una espiral.

TURBINAS RADIALESSon aquellas en las cuales el fluido se mueve en el rodete esencialmente en planos transversales al eje de la mquina siendo el desplazamiento radial centrpeto o centrfugo y el desplazamiento axial nulo.

La turbina radial es fsicamente muy similar al compresor centrfugo. Las principales diferencias fsicas son la mayor rea de salida (ya que los gases se expanden), y los materiales de construccin: estas turbinas pueden trabajar con gases a muy altas temperaturas, incluyendo gases en combustin (llamas), por lo que estn construidas con aleaciones de alta resistencia al calor y sus efectos (creep). Comparando con la turbina axial, este tipo de turbinas tiene las ventajas de su robustez y de admitir el arribo del fluido por un conducto, y las desventajas de su baja eficiencia y comparativamente gran dimetro. En ocasiones estas turbinas han sido usadas para pequeas turbinas a gas: el primer turborreactor, fabricado en Alemania en los aos 30, constaba de compresor y turbina radiales; algunas turbinas a gas descartables (para blancos de artillera y misiles crucero) tambin han usado turbinas radiales. Sin embargo hoy en da son usadas casi exclusivamente como parte de los turbocompresores para motores de combustin interna sobrealimentados.

TRIANGULO DE VELOCIDADES

C:velocidadabsolutadelfluido U:velocidadtangencialdelrotor W:velocidadrelativadelfluido :nguloabsoluto :ngulorelativo N:Velocidaddegirodelrotor D:Dimetrodelrotor Cm:Velocidadmeridiana

TRANSFERENCIA DE ENERGIA

La velocidad relativa del flujo es W1, que es generalmente paralela a las paletas, aunque en la figura se indica ligeramente retrasada. En una situacin similar a la del compresor centrfugo, la primera parte del canal del rotor (la entrada radial) slo sirve para recibir el flujo sin prdidas por choque y guiarlo al interior del canal. Contrariamente a lo que pudiera parecer, el flujo entrante no impulsa a las paletas.A medida que el flujo se mueve hacia el interior del canal se acerca al eje en direccin radial. Segn la ley de conservacin de la cantidad de movimiento angular, tender a acelerarse, movindose con una velocidad perifrica mayor que la del rotor. Sin embargo, la presencia de las paletas impide esta aceleracin, y el flujo ejerce presin sobre la cara ms avanzada en la direccin de movimiento (cara de presin). Esta presin, y la correspondiente menor presin en la otra cara de la paleta, desarrollan la fuerza sobre la paleta, y subsecuente torque y potencia en el eje.El flujo luego es obligado a girar para tomar la direccin axial, y llega al exductor (correspondiente al inductor del compresor centrfugo). La funcin del exductor es impartir al flujo una componente tangencial igual y opuesta a la velocidad perifrica, a fin de que salga del rotor con una velocidad absoluta perfectamente axial. Contrariamente a lo que pudiera suponerse, la forma del exductor no implica que se produzca impulsin de la rueda por el chorro de gases. El torque se obtiene de la presin que ejercen los gases sobre la paleta al cambiar su impulso angular.Se nota que debido al cambio de radio hay una variacin en la velocidad U en el exductor (en la figura, Uh2 y Us2 son las velocidades en la maza o hub y en la cubierta o shroud). Para obtener una velocidad de salida axial sera necesario alabear el borde de salida de la paleta. Esto encarece la manufactura del rotor y acarrea problemas de fuerzas centrfugas y de creep, por lo que usualmente no se considera, y el diseo se basa en un dimetro medio igual a la media geomtrica de los radios de maza y cubierta (en la figura, la velocidad Cx2 es la que corresponde al radio medio).

INFLUENCIA DE ANGULO DE ENTRADA AL ALABE EN EL TRABAJO ESPECIFICO Y EN EL GRADO DE REACCION

En una turbina radial, el parmetro que distingue a los labes es el ngulo 2, formado en la entrada del rotor por la proyeccin de la velocidad del rotor u2 y la velocidad relativa del fluido w2. El valor del ngulo 2, tiene singular importancia, ya que influye en el grado de reaccin y en el rendimiento de la turbina, adems que determina la orientacin de los labes sobre el rotor. En una turbina radial, la transferencia de energa entre el fluido y el rodete de un escalonamiento obedece a la ecuacin de Euler, en sus dos expresiones:1 Expresin: 2 Expresin: En la segunda expresin de la Ecuacin de Euler, el trmino: corresponde a la carga dinmica que el fluido le transfiere al rodete, la cual es de suma importancia; mientras que los trminos: expresan la carga esttica o la energa transferida en forma de presin. En relacin con las turbinas de flujo axial, las turbinas radiales reciben una mayor cantidad de energa en el rodete, ya que aprovechan la presin del fluido debido a la accin centrpeta, representada dentro de la carga esttica con el trmino . Segn la primera expresin de la Ecuacin de Euler, es indispensable que a la entrada del rotor, la componente perifrica de la velocidad absoluta del fluido c2u sea lo suficientemente elevada para aumentar la energa transferida al rodete en forma dinmica. Esto exige que la velocidad del fluido a la entrada c2 debe ser an ms alta, entonces; se debe efectuar un diseo eficiente de las toberas para eliminar las prdidas por friccin y contar con la incidencia del chorro adecuada sobre el labe. Adems, se debe orientar y dimensionar adecuadamente los labes para que el rotor reciba la mayor cantidad de energa dinmica posible por parte del fluido, en consecuencia; la velocidad absoluta del fluido a la salida del rotor debe reducirse al mnimo posible. Uno de los problemas ms atendidos en el diseo de un escalonamiento de turbina, es conseguir que a la salida del rotor, la componente perifrica de la velocidad absoluta del fluido c2u sea igual a cero, especialmente, en turbinas que no posean difusores a la salida del rotor; con lo cual se incrementan el trabajo especifico en el rodete y el rendimiento, por lo tanto disminuyen las prdidas hidrulicas. INFLUENCIA DEL ANGULO DE SALIDAAl apreciar el triangulo formado por las velocidades a la salida del rodete en una turbina centrpeta a 90, se observa claramente que el ngulo 3 es igual a 90, en consecuencia, la componente perifrica de la velocidad absoluta del fluido a la salida del labe cu3 es igual a cero. Por lo tanto a la salida del rodete de una turbina axial, no hay rotacin del fluido expandido (no hace falta la instalacin de un difusor). La Primera Expresin de la Ecuacin de Euler es:

En el caso de los labes curvados, el ngulo 3 es distinto de 90, y la componente perifrica de la velocidad absoluta del fluido a la salida del labe cu3 es diferente de cero por lo que existe rotacin en el fluido (se requiere la utilizacin de un difusor). La ecuacin de Euler en este caso es:

Con el fin de mejorar el rendimiento de una turbina radial centrpeta con labes en el estator, cuando trabaja fuera de las condiciones de diseo, se acude a la geometra variable.

La geometra variable (VTG) consiste en disponer de labes mviles en el estator de manera que puedan ser orientados en un ngulo determinado dependiendo de las condiciones de trabajo. Cuando se requiera aumentar la velocidad de los gases se dispondrn los labes de forma que se disminuya la seccin, por el contrario cuando se desee disminuir la velocidad de los gases se dispondrn los labes de manera que la seccin sea mayor.

ESTUDIO DEL ESTATOR Y LA VOLUTAEn la cmara espiral (voluta) de dichas turbinas radiales o centrpetas, la presin de los gases de escape se convierte en energa cintica y los gases de escape de la circunferencia de la rueda son dirigidos a velocidad constante a la rueda de la turbina. La conversin energtica de energa cintica en potencia de eje se produce en la rueda de la turbina, que est diseada de forma que para cuando los gases lleguen a la salida de la rueda, la prctica totalidad de la energa cintica ya est transformada. APLICACIONESSon utilizadas para el accionamiento de equipos como bombas, compresores y ventiladores.Para la generacin de potencia elctricaEn plantas termoelctricas de vapor y termoelctricas de gasEn la industria naval, area o nutica y automotriz.Utilizadas en sistemas de flujo pulsante. Grupos de sobrealimentacin de motores alternativos y en instalaciones de espacio reducido.En ocasiones estas turbinas han sido usadas para pequeas turbinas a gas: el primer turborreactor, fabricado en Alemania en los aos 30, constaba de compresor y turbina radiales; algunas turbinas a gas descartables (para blancos de artillera y misiles crucero) tambin han usado turbinas radiales. Sin embargo hoy en da son usadas casi exclusivamente como parte de los turbocompresores para motores de combustin interna sobrealimentados, para dispersin de gases en lquidos o en procesos en los que la experiencia antigua desaconseja introducir cambios en el proceso.

INTRODUCCIONEl siguiente trabajo de compresor centrifugo muestra los diferentes tipos de compresores que se pueden elegir dependiendo para el uso que se requiera.Teniendo en cuenta que por compresor se entiende como un instrumento mecnico que reduce el volumen ocupado por un gas (aire) a travs de cierta presin ejercida sobre l.Esta presin se obtiene mediante un trabajo mecnico que reciben los elementos que componen el compresor, para as dar cumplimiento a su funcionamiento.Los compresores centrfugos son utilizados principalmente para aplicaciones de compresin en campo. Todas estas aplicaciones comparten requerimientos tales como: rendimiento eficiente, alta confiabilidad, durabilidad y facilidad de mantenimiento. La comprensin en campo impone adems requerimientos adicionales en el diseo de los equipos.

CONCLUSION

Los compresores centrfugos consiguen un rendimiento muy alto, y tienen muchas ventajas frente a otros sistemas de sobrealimentacin, que podramos resumir en los siguientes puntos:El compresor centrfugo no necesita circuito auxiliar de enfriamiento de aceite. Este tipo de compresor resulta ms silencioso en el funcionamiento que los compresores volumtricos y su mantenimiento es prcticamente nulo.El uso de compresores centrfugos, permite la realizacin de kits de sobrealimentacin muy compactos, con un alto grado de eficiencia, ya que no recalientan el aire aspirado, a diferencia de los turbos y de los compresores volumtricos. Gracias a que la temperatura del aire de aspiracin no aumenta considerablemente, no se hace necesario el montaje de un intercooler.Si se observan las curvas de rendimiento obtenidas en banco de potencia tras la preparacin, lo primero que salta a la vista es la extraordinaria curva de par, que se mantiene estable y a unos valores muy altos en la mayor parte de zona de utilizacin del motor. La curva de potencia muestra una extraordinaria progresividad hasta alcanzar la potencia mxima (por encima de la anunciada) en el entorno de las 6500 rpm.Los kits estn compuestos por el compresor, los soportes del mismo, todas las tuberas de presin, las de vaco (incluido un nuevo filtro de admisin), las correas para el movimiento del compresor, una nueva Eprom y la tortillera necesaria. El tiempo de montaje es de unas 5 horas y no requiere herramientas especiales.

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTALFRANCISCO DE MIRANDA AREA DE TECNOLOGIACOMPLEJO ACADEMICO EL SABINOPROGRAMA DE INGENERIA MECANICAUNIDAD CURRICULAR: MAQUINAS TERMICASPROF: ALEJANDRINA MARTINEZ

TURBOMAQUINAS TERMICAS

INTEGRANTES:Br Borges Tulio 19648716Br Perez Karimarlys 23678274Br Quirales Vanessa 19441377 Br Pachae Mauricio 20552220 Br Nasser Alix 20552608

Punto Fijo 23 de Julio del 2013