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Apuntes de Clasepara

Turbomáquinas 67-20

Dr. Ing. Eduardo BrizuelaUBA, 2003

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BIBLIOGRAFIA

Estos apuntes son sólo una guía para estudiar la materia. La correcta comprensión de los temasrequiere referencia a la Bibliografía que sigue (códigos P indican ubicación en la Biblioteca de la FIUBA):

• Abbott, I. And von Doenhoff, A., Theory of wing sections, Dover, 1959• Balje, O., Turbomachines, Wiley, 1981• Cohen, H, and Rogers, G, Gas Turbine Theory, Longmans, 1954, P5313• Csanady, G., Theory of Turbomachines, McGraw Hill, 1964, P13874• Church, E., Turbinas de Vapor, Alsina, 1955, P5375• Church, I., Hydraulic Motors, Wiley, 1905.• Gannio, P., Apuntes de Turbomáquinas, Centro de Estudiantes, FIUBA• Gibson, H., Hydraulics and its applications, Constable, 1957• Hawthorne, W. and Olson, W., Design and Performance of Gas Turbine Power Plants, Princeton,

1960, P7792• Hunsaker, J., and Rightmire, B., Engineering applications of Fluid Mechanics, McGraw Hill, 1947• Keenan, J., Elementary Theory of Gas Turbines and Jet Propulsion, Oxford, 1946, P7008• Kermode, F., Mechanics of flight, Pitman, 1977• Kováts, A., Design and performance of centrifugal and axial flow pumps and compressors, Pergamon,

1964• Lancaster, O., E.; Jet propulsion engines, Princeton, 1959• Lee, J., Theory and Design of Steam and Gas Turbines, McGraw Hill, 1954, P2760• Lucini, M., Turbomáquinas de Vapor y de Gas, Dossat, 1972, P18160• Mallol, E., Turbinas de Combustion, Hachette, 1947, P19731• Martinez de Vedia, R., Teoria de los motores termicos, Vol III, Alsina, 1983• Mattaix, C., Turbomaquinas Termicas, Dossat, P22923• Perry, R. H. and Green, D. W.; Perry’s Chemical Engineer’s Hanbook, McGraw Hill, 1998• Polo Encinas, M., Turbomáquinas Hidráulicas, Limusa, 1976, P19016• Pratt & Whitney Aircraft Group, The aircraft gas turbine and its operation, 1980.• Shepherd, D, Principles of Turbomachinery, Macmillan, 1956.• Shield, C. D.; Calderas, P17147• Smith, C., Aircraft Gas Turbines, Wiley, 1956, P4941• Smith, G., Gas turbines and jet propulsion for aircraft, Flight, 1947• Stevenazzi, D., Maquinas Termicas, Cesarini Hnos., Bs As, P23968• Stepanoff, A. J., Turboblowers, Wiley, 1955• Vincent, E., The Theory and Design of Gas Turbines and Jet Engines, McGraw Hill, 1950, P27079• Vivier, L., Turbinas de Vapor y de Gas, URMO, 1975, P17940• Wilson, D., The Design of High Efficiency Turbomachinery and Gas Turbines, MIT Press, 1985• Zuyev, V., and Skubachevskii, L., Combustion Chambers for Jet Propulsion Engines, Pergamon,

1964, P12780

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INDICE

UNIDAD 1: Turbomáquinas, clasificación, tipos. Repaso de balances energéticos. Intercambio de energía: teorema deEuler. Casos elementales: turbina plana y curva.

1. Turbomáquinas: Clasificación. ................................................................................................. 12. Repaso de balances energéticos................................................................................................. 33. Intercambio de cantidad de movimiento: Teorema de Euler..................................................... 44. Casos elementales: Turbinas de paletas plana y curvas............................................................. 6

UNIDAD 2: Elementos de las turbomáquinas: conversión de energía potencial en cinética, toberas y difusores. Flujocompresible. Performances.

1. Conversión de EP en EC: Toberas y Difusores............................................................................92. Velocidad isentrópica del sonido..................................................................................................93. Condiciones de remanso.............................................................................................................104. Conductos con cambio de seccion..............................................................................................115. Conducto convergente-divergente:Tobera de Laval...................................................................126. Diagrama y cono de stodola........................................................................................................147. Rendimiento de toberas:Factor ϕ................................................................................................158. Difusores.....................................................................................................................................16

UNIDAD 3: Compresores centrífugos. Tipos. Componentes. Dimensionamiento. Performance. Funcionamiento anormal

1. Descripción.................................................................................................................................181.1 Tipos...........................................................................................................................................192.1 Transferencia de cantidad de movimiento en el rotor................................................................202.2 Componentes del rotor................................................................................................................212.3 Funciones....................................................................................................................................212.4 Deslizamiento.............................................................................................................................222.5 Diagramas de velocidades..........................................................................................................233. Difusor........................................................................................................................................233.1 Tipos...........................................................................................................................................233.2 Difusor de alabes........................................................................................................................253.3 Difusor caracol...........................................................................................................................254. Flujo compresible, predimensionamiento..................................................................................264.1 Mapa elemental..........................................................................................................................274.2 Diagrama i-s...............................................................................................................................275. Parametros adimensionales........................................................................................................276. Mapa de compresor....................................................................................................................286.1 Bombeo......................................................................................................................................306.2 Atoramiento...............................................................................................................................31

UNIDAD 4: Compresores axiales. Teoría alar. Efectos viscosos. Pérdidas. Performance

1. Introducción................................................................................................................................322. Teoría alar...................................................................................................................................322.1 General........................................................................................................................................322.2 Perfiles alares..............................................................................................................................332.3 Teoría del ala ..............................................................................................................................332.3.1 Circulación ........................................................................................ ......................................332.3.2 Sustentación y resistencia al avance........................................................................................332.3.3 Coeficientes de sustentación y resistencia. Diagrama polar....................................................342.4 Efectos viscosos..........................................................................................................................352.4.1 Distribuciones de presiones.....................................................................................................352.4.2 Efecto del ángulo de ataque.....................................................................................................362.4.3 Pérdida de sustentación............................................................................................................373. Compresores multietapa..............................................................................................................373.1 Etapas, diagramas de velocidades...............................................................................................373.2 Grado de reacción.......................................................................................................................38

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3.3 Desviación..................................................................................................................................403.4 Pérdidas......................................................................................................................................403.5 Diagrama i-s...............................................................................................................................413.6 Relación de compresión.............................................................................................................413.7 Mapa de compresor....................................................................................................................41

UNIDAD 5: Turbinas radiales. Turbomáquinas hidráulicas: bombas y turbinas hidráulicas

1. Turbina radial............................................................................................................................431.1 General......................................................................................................................................431.2 Turbocompresores para motores de CI.....................................................................................441.3 Funcionamiento. Diagramas de velocidades.............................................................................441.4 Proceso en la turbina.................................................................................................................461.5 Mapa de turbina.........................................................................................................................472. Turbomáquinas hidráulicas...........................................................................................................492.1 Bombas hidráulicas.....................................................................................................................502.2 Turbinas hidráulicas....................................................................................................................552.2.1 Turbina de chorro (Pelton).......................................................................................................552.2.2 Turbinas de admisión plena.....................................................................................................582.2.2.1 Turbinas radiales y mixtas....................................................................................................582.2.2.2 Turbinas axiales....................................................................................................................592.2.3 Eficiencias................................................................................................................................61

UNIDAD 6: Turbinas de vapor. Operación. Eficiencias. Pérdidas

1. Clasificación................................................................................................................................632. Turbina de acción de una etapa: Turbina de Laval......................................................................652.1 Funcionamiento..........................................................................................................................652.2 Diagrama i-s. Rendimiento.........................................................................................................663. Turbinas de acción multietapa.....................................................................................................683.1 Escalonamientos.........................................................................................................................683.2 Turbina Curtis.............................................................................................................................693.2.1 Operación.................................................................................................................................693.2.2 Diagrama i-s. Rendimiento......................................................................................................703.3 Turbina Rateau............................................................................................................................723.3.1 Operación.................................................................................................................................723.3.2 Diagrama i-s. Rendimiento......................................................................................................724. Turbina de reacción: Turbina Parsons..........................................................................................734.1 Operación...................................................................................................................................734.2 Diagrama i-s. Rendimiento........................................................................................................765. Comparación...............................................................................................................................786. Pérdidas en las turbinas de vapor................................................................................................796.1 Pérdidas en los álabes................................................................................................................796.2 Otras pérdidas............................................................................................................................796.3 Punto de operación económica..................................................................................................807. Recalentamiento..........................................................................................................................818. Empuje axial................................................................................................................................819. Rendimientos de las turbinas de vapor........................................................................................82

UNIDAD 6A: Diagramas h-s para turbinas y compresores, Grado de reacción. Velocidad y diámetro específicos.Selección de turbomáquinas

1. Grado de reacción........................................................................................................................832. Máquinas axiales.........................................................................................................................852.1Compresor axial..........................................................................................................................852.2Turbina axial...............................................................................................................................863. Maquinas radiales........................................................................................................................873.1Compresor radial........................................................................................................................873.2 Turbina radial............................................................................................................................874. Velocidad y diámetro específicos. Selección de turbomáquinas................................................874.1Velocidad y diámetro específicos..............................................................................................87

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4.2 Selección de turbomáquinas......................................................................................................89

UNIDAD 7: Regulación y control de turbinas de vapor

1. Introducción.................................................................................................................................952. Línea de Willans..........................................................................................................................953. Regulación...................................................................................................................................964. Regulación ideal cuantitativa o por toberas.................................................................................965. Regulación cualitativa o por estrangulación................................................................................966. Regulación por toberas de la primera etapa.................................................................................977. Sobrecargas..................................................................................................................................998. Regulación por by-pass ...............................................................................................................999. Sistemas de control y regulación ...............................................................................................100

UNIDAD 8: Juntas de estanqueidad, sellos laberínticos, curvas de Fanno

1. Juntas de estanqueidad...............................................................................................................1031.1 Sellos mecánicos......................................................................................................................1031.2 Sellos hidráulicos.....................................................................................................................1052. Sellos laberínticos......................................................................................................................1053. Curvas de Fanno.........................................................................................................................108

UNIDAD 9: Turbina de gas – ciclo Brayton y otros

1. Introducción..............................................................................................................................1172. Ciclo Brayton simple ideal.......................................................................................................1173. Ciclo Brayton simple, real........................................................................................................1194. Ciclo de Brayton teórico regenerativo (o con recuperación de calor)......................................1205. Ciclo regenerativo real (ε≠1)....................................................................................................1236. Ciclo Ericsson...........................................................................................................................1257. Ciclo Compound (Brayton regenerativo con enfriamiento y recalentamiento intermedios)....1268. Combustión...............................................................................................................................127

UNIDAD 10: Turbina de gas: Arranque; influencia de las condiciones ambientes; propulsión aérea.

1. Punto de operación.....................................................................................................................1312. Control de la TG.........................................................................................................................1323. Arranque de la TG......................................................................................................................1344. Influencia de la temperatura ambiente.......................................................................................1355. Propulsión aérea.........................................................................................................................136

UNIDAD 11: Generadores de Vapor

1. General.....................................................................................................................................1412. Calderas humotubulares...........................................................................................................1413. Calderas acuotubulares............................................................................................................1424. Ciclos de vapor........................................................................................................................1435. Condensadores.........................................................................................................................1456. Agua, aire, combustible...........................................................................................................150

UNIDAD 12: Cogeneración, Ciclo Combinado, Exergía

1. Cogeneración.............................................................................................................................1522. Ciclo combinado gas-vapor.......................................................................................................1543. Pinch point y temperatura de escape.........................................................................................1574. Exergía, rendimiento del ciclo combinado................................................................................157