Turbomaquinas Termicas Caludio Mataix Pag 1-100 3s2z51

TURBOMAQUINAS TERMICAS

Claudio Mataix Doctor en Ciencias Físicas Ingeniero Máster por la Universidad de Notre Dame, Indiana. Profesor Emérito de Turbomáquinas en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Electromecánicos del 1.C.A.l. Con la colaboración de ANTONIO ARENAS Ingeniero Industrial del 1.C.A.l.

Turbinas de vapor e Turbinas de gas Turbocompresores

3"edición

m INVERSIONESEDITORIALES

TURBOMAQUINAS TERMICAS

3" edición

"No está permitida la reproducción total o parcial de este Libro. ni su tratamiento informático, ni la transmisión de ninguna forma o por cualquier medio, ya se alcetronico, mecánico, por fotocopía, por registro u otros métodos, sin el permiso previo y por escrito de los titulares del Copyright"

O by Claudlo Mataix O CIE. SL. DOSSAT 2000 Veláz uez 124 2800% ~ i d r i (España) d

4.

ISBN: 84-237-0727-X Depósito Legal: Pnnted in Spain (Impreso en España)

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"A la memoria de mi padre, catedrático de la Escuela de Ingenieros Industriales y del I.C.A.I., y a todas las promociones del I.C.A.I., que escucharon de viva voz estas lecciones. EL AUTOR

PROLOGO A LA SEGUNDA EDICION

Esta segunda edición sale a la luz poco después d e cumplirse el primer centenario de la construcción de la primera TV. (1983). En los quince años que median entre ésta y la primera edición la evolución en la construcción de las TM ha sido considerable: los turbocompresores invaden más y más el campo de los números específicos de revoluciones bajos, antes reservado a los compresores alternativos; las turbinas de gas, utilizando combustibles más baratos y mejorando su rendimiento, encuentran nuevas aplicaciones y las turbinas de vapor reinan más y más en el campo d e la producción de energia eléctrica, al disminuir en casi todos los países la proporción de energia hidroeléctrica (en 1983 en España descendió al 24,72%) y aumentar la proporción d e energia térmica, que utiliza casi exclusivamente la TV (el mismo año en España la de combustible fósil alcanzó el 66,19%y la de combustible nuclear el 9,09%). Terminada la primera edición de esta obra se desencadenaba en el mundo la crisis del petróleo (1973) junto con la crisis energética, que diez años después (1983) empezaría a remitir. El influjo d e esta doble crisis fue positivo y acelerante, por ejemplo, en el desarrollo de máquinas cada vez de mayor rendimiento y negativo o frenante, por ejemplo, en la falta de interés por las TV de muy gran potencia. Las grandes empresas constructoras d e TV no pudieron utilizar las nuevas instalaciones para la fabricación de TV de muy gran potencia, a causa de la falta de demanda de estas unidades. Al mismo tiempo crecía el interés por la cogeneración de calor y electricidad y por las centrales combinadas de TV y TG. La tendencia al estudio unificado de todas las turbomáquinas, que impulsó PFLEIDERER desde su cátedra de Braunschweig y con su excelente' obra "Stromungsmaschinen" (Turbomáquinas) publicada en 1952, continúa hasta el presente'. Desde que vi6 la luz pública la primera edición d e m i obra Turbomáquinas Térmicas la he venido utilizando como libro de texto en mis clases de turbomáquinas; d e manera que esta segunda edición de m i obra nace del o directo con mis alumnos, que me han ayudado a aclarar multitud de conceptos y corregir (1) En 1980 morfa Pfleiderer a los 80 años. Su libro fue traducido al turco en 1978, al portugués en 1979, y en 1985 al italiano. La quinta y tíltirna edición de esta obra clásica, nuevamente corregida y aumentada ha sido publicada por Petermann en Springer en 1986, 573 págs.

PROLOGO A LA SEGUNDA EDICION

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del campo de aplicación de los TC, etc. han exigido variaciones en dichos parámetros, que ha habido que recoger en esta segunda edición. Tal ocurre, por ejemplo, con la relación !?Idm (TV), longitud radial de los álabes (TV) hasta 1200-1400 mm; velocidades periféricas máximas umá, en el iIltirno escalonamiento (TV); coeficientes de caudal y de presión (TC); velocidmades de rotación (TC); relaciones de compresión por escalonamiento y por cuerpo, presión final -hasta 600 bar máximo- (TC); extensión de la zona de utilización a velocidades especificas menores (TC); temperatura a la entrada de la TG -de 600 hasta 1300 "C, etc. ... En general en esta segunda edición se han procurado recoger tanto los valores normales como los valores extremos de aquellos parámetros que presentan mayor interés para el diseño y funcionamiento de las TM. Entre éstos figuran los rendimientos, los ángulos P2 (TC), exponentes n de la politrópica con o sin refrigeración (TC), factor de disminución del trabajo e, (TC), relaciones de compresión (TC), P, máxima de las TG, temperatura máxima de las cámaras de combustión, relación de potencias (TG), grado de reacción máximo (TM), pérdidas intersticiales, pérdidas por rozamiento de disco y ventilación, rendimientos mecánicos, rendimiento de la caldera (TV) y de la cámara de combustión (TG), consumos especificos de calor y de vapor, etc... etc... Se discute por su interés la potencia máxima realizable por unidad en una TV, que podria alcanzar los 5000 MW; aunque por razones no tecnológicas, sino económicas y políticas, que se aducen en el texto, n o se han excedido hasta el presente los 1200 MW.

A tftulo de ejemplo, el lector encontrará en el texto: umáx (TC) 450 m/s; coeficiente de caudal (TC): 0,05 a 0,5 ; P2 (TC): 35 a 90" ; rpm (TC): 3000 a 25000; TC axiales: p2 = 50 bar máx, QE,,= 60000 m 3 /h; idem TC radiales: p2 = 600 bar máx, QEmáx= 60 m 3 /S;TG industriales: t, máx = 900 "C; rendimiento energético combinado (cogeneración) 80%,etc... etc... 8. Redacción nueva del Cap. 25, 'Tendencias actuales en el desarrollo de las turbomáquinas térmicas". La materia del antiguo Cap. 25 se ha distribuido por los restantes capftulos del texto, ya que dicha materia no constituia ya novedad alguna en la segunda edición. En su lugar se recogen en el nuevo Cap. 25, las tendencias que apuntan para el futuro, tanto en la evolución de las turbomáquinas, como en la de las centrales térmicas (centrales de carbón y centrales nucleares, cogeneración y centrales combinadas de vapor y electricidad), junto con el desarrollo de cinco tecnologías, de cuya futura evolución dependerá en gran parte la evolución de las centrales eléctricas y las mismas TV: gasificación y liquidación del vapor, desulfuración y desnitrificación del medio ambiente y calderas de lecho fluidizado. 9. Incremento de la bibliografía. Se ha retenido en gran parte la bibliografía de la primera edición y se ha añadido una bibliografia de la segunda edición, que contiene los libros y artfculos más interesantes sobre la materia publicados en los últimos quince años, ordenados por materias y por orden alfabético dentro de cada materia.

PROLOGO DE LA PRIMERA EDlClON

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versa en un rotor, y se componen de órganos que desempeñan muchas veces funciones análogas. Un estudio unificado, con una tendencia moderada a utilizar para los mismos conceptos las mismas definiciones y la misma nomenclatura, y a emplear siempre que sea posible los mismos parámetros de diseño, conduce automáticamente a muchas zonas de coincidencia, y reduce en un tanto por ciento considerable la zona de peculiaridades de cada máquina que exige un tratamiento especial. Aunque esta visión de conjunto es primordial. en este libro, hemos procurado constantemente presentar primeros planos de cada máquina y de sus detalles, a fin de que ninguna máquina pierda su individualidad. Es decir, no nos hemos dejado llevar de un apasionante vértigo de la unificación, porque las máquinas que aquf estudiamos tienen su historia que hay que respetar, si se quiere evitar la confusión que una sfntesis teórica excesivamente elaborada crearfa en el ingeniero acostumbrado a los libros redactados sin este criterio unificador, además de exigir un excesivo esfuerzo de sintesis a los alumnos. Las siglas de la pág. XXXI con que se designa cada máquina o cada grupo de máquinas, se utilizan constantemente en el libro para establecer comparaciones y elaborar sfntesis. Asf, por ejemplo, hay fenómenos, como los que conducen al factor de disminución de trabajo, que son propios de los turbocompresores, y tambien de las turbomáquinas hidráulicas denominadas bombas y ventiladores, tqdas las cuales integran el gmpo que denominamos turbomáquinas generadoras (sigla TMG). Lo mismo se diga de la disminución del rendimiento inherente a todo proceso de difusión, como el que tiene lugar en el rodete y en la corona directriz d & las TMG. Otros fenómenos son tipicos de las turbinas de vapor (sigla TV), como son los relacionados con la gran variación del volumen especifico, que adquiere proporciones gigantescas en estas máquinas. Otros fenómenos, tales como la posibilidad de aprovechar un gran salto entálpico por escalonamiento, y de itir sin disminución del rendimiento un gran ángulo de desviación de la corriente, son comunes tanto a las turbinas de vapor como a las turbinas de gas, es decir, a todas las turbinas térmicas (sigla TT), y asi sucesivamente. La fuerza del método consiste en la facilidad con que el lector se acostumbra a este tipo de razonamiento y a elaborar sus propias sintesis. Hemos creido interesante añadir, si bien en letra pequeña, algunas interrelaciones de las turbomáquinas termicas con las hidráulicas. De la lectura del indice de materias se desprende fácilmente que de los veinticinco capftulos, de que consta la obra, diez tratan de todas las turbomáquinas térmicas, cuatro de'las turbinas térmicas (turbinas de vapor y turbinas de gas), dos de las turbinas de vapor, cuatro de las turbinas de gas y tres de los turbocompresores. El capitulo 1 es una introducción y el 2 un resumen de termodinámica, cuya lec.tura muchas veces podrá omitirse; pero que creemos puede servir para refrescar los conceptos básicos. Tal vez sea este libro el primer libro español que emplea en~ermodinámicao en Mecánica el sistema de unidades denominado hoy corrientemente sistema inter-

penden de la fuerza de la gravedad y quede excluido precisamente en el término correspondiente a la energía potencial gravitatoria. Lo contrario sucede en el SI, con la coincidencia feliz de que el término zg suele jugar un papel muy secundario en los problemas relacionados con las turbomáquinas térmicas, con lo cual la constante g = 9,8 1 es la tercera constante que queda prácticamente eliminada de todas las fórmulas. La adaptación al S1 es fácil en el Ingeniero acostumbrado a las viejas unidades y a su orden de magnitud si se tiene en cuenta que 1 bar es aproximadamente 1 at (exactamente 1 at = 0,980665 bar) y 1 kJ es aproximadamente la cuarta parte de 1 kcal (exactamente 1 kcal= 4,1868 kJ). Porque creemos que pedagógicamente es importante que los conceptos básicos y sus relaciones mutuas queden reflejadas en un sistema armónico de símbolos y subíndices, hemos hecho un esfuerzo por conseguir una nomenclatura clara y coherente en todo el libro, a cuya lista, que se encuentra al comienzo de la obra podrá refegrs-ontinuamente el lector. con-la'ilusión de poder ofrecer a nuestros lectores una visión moderna del estado de la técnica en este campo, nos pusimos en o con las principales casas constructoras de estas máquinas en Estados Unidos, Inglaterra, Francia, Italia, Suiza, Suecia, Alemania y Japón. Gracias a la abundantisima información recibida de estas empresas, a las cuales expresamos desde aquí nuestro agradecimiento, podemos ofrecer hoy a nuestros lectores, una selección de datos tecnicos correspondientes a las realizaciones más recientes. En la bibliografla hemos seleccionado sólo los libros y algunos artículos que tocan expresamente los temas desarrollados o al menos esbozados en nuestra obra, ofreciendo de esta manera al lector una colección moderna de trabajos de referencia y ampliación de las materias tratadas. Esperamos que la selección de cincuenta problemas resueltos incluidos en el libro a los cuales hemos añadido siete anteproyectos de máquinas que ilustran los métodos más importantes desarrollados en el texto, serán de gran utilidad. Sin la entusiasta colaboración de mis alumnos de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros del I.C.A.I. de las tres iíltimas promociones, y en particular de la del año 1971, hubiera sido para m i mismo mucho más laboriosa la publicación de esta obra. A todos mis colaboradores mi testimonio de amistad y agradecimiento. Quiero agradecer en particular la valiosa ayuda prestada por los Ingenieros del I.C.A.I. Sr. Unzo en la confección de las figuras del texto, Sr. Conde que realizd bajo mi dirección el proyecto cuarto incluido en el texto, y sobre todo al Sr. Gavela por su minuciosa colaboración en la revisión final del original y de las figuras y problemas. Asimismo quiero expresar mi agradecimiento al Departamento de Publicaciones del I.C.A.I. Finalmente y en lugar de honor quiero destacar la inestimable cooperación y apoyo incondicionales recibidos de EDITORIAL DOSSAT, S. A. para resolver las dificultades que de todo tipo han surgido a lo largo de la edición de este libro.

EL AUTOR,

INDICE DE MATERIAS

PROLOGO DE LA SEGUNDA EDICION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi1 PROLOGO DE LA PRIMERA EDICION . . .. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . X NOMENCLATURA EMPLEADA . . . ; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .; . . . . . . . . XXVII v CUADRO DE UNIDADES DE LOS SISTEMAS 'INTERNACIONAL Y TECNICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . : XXXII 1. INTRODUCCION 1.1. Clasificación de las máquinas de fluido. Definición de turbomáquina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . : 1.2. Primera clasificación de las turbomáquinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3. Definición de turbomáquina térmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 .4. Segunda clasificación de las turbomáquinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5. Dirección del flujo en el rodete de una turbomáquina . . . . . . . . . . . 1.6. Tercera clasificación de las turbomáquinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7. Resumen de la clasificación de las turbomáquinas . . . . . . . . . . . . . . 1.8. Breve descripción de las turbomáquinas tCrrnicas . . . . . . . . . . . . . .

1.8.1 . Turbocompresores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.8.2. Turbinas de vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.8.3. Turbinas de gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.9. Breve resumen de la propulsión a chorro y de las aplicaciones aeronáuticas de la turbina de gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 'Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. RESUMEN DE TERMODINAMICA

. 2.1. Estados de equilibrio de un fluido y procesos termodinámicos . . . .

2.2. Propiedades fundamentales de los fluidos ......................

2.2.1. Temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2. Presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.23 . Densidad, peso específico, peso específico relativo y volumen específico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3. El gas perfecto y el gas real. Ecuaciones de estado . . . . . . . . . . . . . .

2.3.1. El gas perfecto y el gas real . . . . . . . '. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2. Ecuaci6n de estado de los gases perfectos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3. Ecuación de estado de los gases reales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.4. Energias

.............................................

2.4.1. Energías almacenadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1.1 . Energía interna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 A.1.2. Energía potencial gravitatoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1.3. Energia cindtica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2. Energías de tránsito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2.1. Trabajo de flujo ...................................... . . 2.4 S.2. Trabajo mecánico . . . . . : . . . ; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2.3:Calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

INDICE DE MATERIAS

2.1 5 .10. Nuevo enunciado del segundo principio. o principio de aumento

de la entropía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.15.1 1.Aumento de la energía no utilizable de un sistema. Nuevo enun-

ciado del segundo principio o principio de la degradación de la energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

:

Tercer principio de la termodinámica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tablas y diagrarnas del aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Propiedades del vapor de agua. Tablas y diagrama de Mollier . . . . Velocidad del sonido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Propagación de la onda sonora u onda producida por una pequeña perturbación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.21. Laondadechoque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.16. 2.1 7. 2.18. 2.19. 2.20.

3. EL CICLO BASICO DE LAS TURBINAS DE VAPOR 3.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. El ciclo de Camot convapor de agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3. El ciclo de Rankine o ciclo básico ideal de las turbinas de vapor . . . 3.4. Elevación del rendimiento del ciclo de Rankine con el aumento de la presión inicial de la expansión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5. Elevación del rendimiento del ciclo de Rankine con el aumento de la temperatura inicial de la expansión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6. Elevación del rendimiento del ciclo de Rankine con la disminución de la presión final de la expansión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7. Balance energético del ciclo real de las TV. Rendimientos . Consumos especificas de vapor y de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4. EL CICLO BASICO DE LAS TURBINAS DE GAS 4.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. El ciclo abierto de Brayton o ciclo bAsico ideal de las TG . . . . . . . . 4.3. El ciclo abierto real de Brayton o ciclo básico real de las TG . . . . . . 4.3.1. Consideración de las pérdidas en la turbina y en el compresor so-

lamente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 .1. El rendimiento interno del motor-TG ViMTG sin tener en cuenta las pérdidas en los conductos . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1.2. V;MTG en función de E , y t3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1.3. viMTGen función de E , y t , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1.4. V/MTG en función de e,, Vic y ViT . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1.5. El tamaño del motor-TG en función de los rendimientos internos de la turbina y del compresor . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2. El rendimiento interno ViMTG del motor-TG teniendo en cuenta las pérdidas en los conductos antes y después de la turbina . . . . . . . . . .

Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. TRANSFORMACION DE ENERGIA MECANICA Y DE FLUIDO EN EL RODETE 5.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

NDICE DE MATERIAS

6.8.1. Rendimiento interno t7, de una TMT en función del rendimiento interno de un escalonamiento q [ e . factor de recalentamiento. Potencia interna de una TMT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.82. Rendimiento mecánico. potencia en el eje y rendimiento total de las TMT de mi2ltiples escalonamientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7. PROYECTO DE LAS TOBERAS Y CORONAS FIJAS DE LAS TT 7.1. Introducción . . . . . . . . . . : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2. Ecuación de continuidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3. Flujo subsónico, transónico y supersónico en un conducto cualquiera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4. Velocidad media en una sección cualquiera de una tobera . . . . . . . . 7.5. Sección minima o critica de una tobera: parámetros crfticos . . . . .

7.5.1 . En la expansión a i. de un gas perfecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5 .2. En la expansión a.i. del vapor de agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5 3 . En la expansión real del gas perfecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6. Gasto y velocidad del gaslvapor a través de una tobera conver-

gente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.7. Gasto y velocidad del gaslvapor a través de una tobera convergentedivergen te . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.8. Expansión real del gas/vapor en tubos cilfndricos o conductos de sección constante: curvas de Fanno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.9. Politrópica dela expansión real de una tobera . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.10. Las toberas de las TT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7.10.1. Coronas directrices fijas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.10.2. Desviación del chorro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1 1. Diseño 1: Tobera de una TV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8. ESTUDIO Y PROYECTO DE UN ESCALONAMIENTO DE TT. Y DE UNA TT DE UN SOLO ESCALONAMIENTO 8.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2. Selección del grado de reacción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3. Forma de los Alabes fijos y móviles de acción y reacción . . . . . . . . .

8 3.1. Alabes de acción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.2. Alabes de reacci6n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8.4. Coeficiente óptimo de veIocidad periférica en los escalonarnientos de acción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ;- . . . . . . . . . . . . . . . . : . .

8.4.1. Coeficiente óptimo ideal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4.2. Coeficiente óptimo real . . ' . . . . . . . . . . . . . . . . ; . . . . . . . . . . . .

8.5. Coeficiente óptimo de velocidad periférica en los escalonamientos . de reacción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 S.1. Coeficiente óptimo ideal . . . . . ; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.5.2. Coeficiente óptimo real . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8.6. Longitud radial d'e los Alabes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.7. Torsión de los Alabes ..................... .Y. . . . 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.8. Diseñ 6 2 : TV de acción de un escalonkiento ................... Problemas . . . . . . . . . . . . . . . .;. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

INDICE DE MATERIAS

1 1. DIFUSORES 1 1.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2. Rendimiento de un difusor . . . . . . . . . . . . . . . . . . : . . . . . . . . . . 11.3. El difusor supersónico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12. CLASIFICACION DE LQS TC. REERIGERACION DE LOS TC. ESTUDIO Y PROYECTO DEL TC RADIAL 12.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.2. Clasificación de los TC. Comparación entre los TC radiales y axiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3. Descripción del TC centrffugo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..12.4. Aplicaciones de los TC centrffugos y kiales . . . . . . . . . . . . . . . . 12.5. Relación de compresión de un escalonamiento adiabático de TC centrffugo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.6. Tipos de refrigeración de los TC centrifugos y axiales . . . . . . . . . 12.7. Refrigeración interna de los TC centrffugos y axiales: diagramas Ts y pv de la compresión adiabática y de la compresión refrigerada interna. Rendimientos adiabático e isot6rmico . . . . . . . . . . 12.8. Refrigeración externa de los TC centrffugos y axiales . . . . . . . . . 12.9. Selección del ángulo de salida de los áiabes f12 en un rodete radial de baja presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.10. Factor de disminución de trabajo de los TC centrffugos . . . . . . 12.1 1. Procedimiento de cálculo de un TC radial . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.12. Disefío 5: TC radial de un escalonamiento (turbosoplante) . . . ; Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13. BREVE ESTUDIO DE LAS TV RADIALES 13.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.2. TV de giro único . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3. TV de contragiro (turbina Ljungstrom) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.4. TV mixta radial-axial.................................... 14. PROYECTO AERODINAMICO DE LAS TM AXIALES 14.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.2. Nomenclatura del perfil de ala de avión aislada y en enrejado . . . 14.3. Empuje ascensional y arrastre en un perfil aislado . . . . . . . . . . . . 14.4. Empuje ascensional y arrastre en un perfil aislado.de luz infinita 14.5. Empuje ascensional de un perfil en enrejado en un gas ideal: teorema de Joukowsky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.6. Empuje ascensional y arrastre de un perfd en enrejado en un gas real . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.7. Corrección del perfil aislado de luz infinita por influjo del enrejado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15. PROYECTO DE LOS ALABES CON TORSION DE LAS TMT AXIALES 15.1. Introducción ...................... ; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.2. Ecuación fundamental del diseiio de un álabe con torsión, o ecuación diferencial del equilibrio radial . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

INDICE DE MATERIAS

1 8.3. Ciclo 11' de compresión isotérmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.4. Ciclo 111' de expansión isotérmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.5. Ciclo 11' + 111' de compresión y expansión isotérmicas . . . . . . . . 18.6. Ciclo fundamental 11, o ciclo de refrigeración intermedia . . . . . . 18.7. Ciclo fundamental 111. o ciclo de recalentamiento intermedio . . . 18.8. Ciclos abiertos de TG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.9. Ciclos cerrados de TG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.10. Ciclos hibridos de motores combinados . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.1 1 . Cogeneración con TG: Sistemas de energfa total . . . . . . . . . . . . 18.12. CiclocombinadodeTVy TG. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9. LA COMBUSTION EN LAS TG 19.1. Estudio de la combustión

..............................

19.1.1. Poder calorffico de un combustible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1.2. Cantidad de aire estrictamente necesaria para la combustión por kg de combustible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1.3. Coeficiente de exceso de aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1.4. Ecuación de la cámara de combustión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.1 .5. Propiedades termodinámicas de los gases de combustión . . . . . . . 19.1 .5. 1. Función J/ para corrección de entalpfas . . . . . . . . . . 19.1.5 .2. Diagrama universal del aire y productos de combustión . 19.1.5.3. Tablas de gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19.2. Combustibles utilizados en las TG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.3. Cámaras de combustión de las TG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.3 .1. 19.3.2. 19.3 3. 19.3.4. 19.3.5. 19.3.6.

Exigencias a que debe satisfacer una cámara de combustión . . . . . Esquema básico de una cámara de combustión . . . . . . . . . . . . . Cámaras de combustión de los turborreactores . . . . . . . . . . . . . Inyectores de las TG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cámaras de combustión de las TG industriales. . . . . . . . . . . . . . Proyecto y parámetros fundamentales de la cámara de combustión

20. LOS REGENERADORES DE LAS TG 20.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.2. Tipos de regeneradores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.2 .1. Regeneradores tubulares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.2.2. Regeneradores de placas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 S.3 . Regeneradores rotativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20.3.' Proyecto de un regenerador tubular

......................

20.3.1. Cálculo de la superficie total de un intercambiador de calor . . . . . 20.3.2. Cálculo de las perdidas hidráulicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20.4. Conclusión . . . . . . . . . . . . . . . . . ; . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1. CONSTRUCCION DE LAS TMT 21.1. El rotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.1 .l., Discos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1.1 .1. Tipos diversos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.1.1 .2 Resistencia .................

INDICE DE MATERIAS

23.2. Funcionamiento de las TV fuera del punto nominal . . . . . . . . . .

23.2.1. Cono del gasto de vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.2.2. Curva de la potencia en función del gasto de vapor . . . . . . . . . . .

23.3. Funcionamiento de las TG fuera del punto nominal . . . . . . . . . .

23.3 .1. Grupos de un solo eje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.3.1.1. EsquemaC.TG. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.3.1.2. Esquema C.T.U . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.3.2. Grupos de dos ejes con un compresor y dos turbinas . . . . . . . . . 23.3.2.1. Ciclos no. regenerativos .y. sin..recalentamiento entre las dos turbinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.3.2.2. Ciclos regenerativos y ciclos con recalentamiento entre las dos turbinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.33. Grupos de dos ejes con dos compresores y dos turbinas . . . . . . . .

24. REGULACION DE LAS TMT 24.1. Regulación de los TC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24.1.1. Regulación de los TC en la zona estable . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.1.1 1. Regulación por estrangulamiento en la impulsión. . . . . 24.1.1.2. Regulación por estrangulamiento en la aspiración . . . . 24.1.1.3. Regulación por variación del número de revoluciones . . 24.1.1.4. Regulación por orientación de los álabes fijos . . . . . . . 24.1.1 .5. Regulación por orientación de los álabes móviles . . . . . 24.1.1.6. Regulación por by- de uno o varios estrangulamientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.1.2. Regulación de los TC en la zona inestable . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.1.2.1. Regulación por expulsión de gas al exterior . . . . . . . . 24.1.2.2. Regulación por retorno del gas a la aspiración . . . . . . . 24.1.2.3. Regulación por desconexión del TC de la red . . . . . . .

.

24.2. Regulación de las TV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24.2.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.2.2. MCtodos de regulación de la potencia de la TV . . . . . . . . . . . . . 24.2.2.1. Regulación por estrangulamiento o regulación cualitativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.2.2.2. Regulación por variación del grado de isión o regulación cuantitativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.2.2.3. Regulación mixta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.2.2.4. Regulación por by- de uno o varios escalonamientos 24.2.3. Fines de la regulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.2.3 .1. La regulación para mantener un número de revoluciones constante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.2.3.2. La regulación para mantener una presión constante . . . 24.2.4. Aparatos de regulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.2.5. Esquemas de regulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.2.5.1. Esquema de regulación de una TV de extracción . . . . . 24.2.5.2. Esquema de regulación de una TV de condensación TML . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24.2.5.3. Esquema de regulación de una TV de condensación AEG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

NOMENCLATURA EMPLEADA

empuje ascensional, sección, relación másica aire/combustible; Ao, idem estrictamente necesaria para la combustión; AP, alta presión. a

Velocidad del sonido.

ai. BP

(Proceso) adiabdtico-isentrópico (= adiabático-reversible). baja presión.

C

constante, fuerza centrffuga; C.C., cámara de combustión; Ca, caldera; C,, coeficiente d e empuje ascensional; C,, velocidad adiabático-isentrópica; C,, coeficiente de arrastre. vector velocidad absoluta, calor especffico; c p , c,, calor especffico a presión y volumen constante; c,, c,, c,, cm, componentes axial, periférica, radial y meridional de la velocidad absoluta; czp, velocidad absoluta de salida del escalonamiento precedente. consumo especffico de vapor, diámetro, densidad (o peso específico) relativa; d m, diámetro de la corona en la mitad del 6lab.e. energla, fuerza de empuje, módulo de Young; E,, e,, energfa cin6tica total y especffica; E,, e,, energfa potencial gravitatoria total y especffica. eficiencia de la calefacción; e ~ eficiencia , del regenerador; e,, eficiencia de la refrigeración; e,, factor d e disminución d e trabajo en el TC radial. fuerza. caudal másico, caudal m6sico de aire; G,, caudal mbico de combustible; Gg, caudal gravim6trico o en peso. aceleración d e la gravedad; g, g,, gi, pérdida d e caudal intersticial total, externa e interna. poder calorffico del combustible, altura neta de las turbinas hidráulicas; Hi, H,, poder calorffico inferior, superior; Hg, entalpfa especffica de un gas referida a 1 Mol. entalp fa especifica. intensidad t6rmica de la cámara de combustión. Kelvin (temperatura absoluta). cantidad de movimiento, coeficiente de influjo del enrejado; coeficiente global de transmisión del calor, rendimiento energgtico combinado teórico; kf, k m , coeficiente de velocidad en la corona fija y móvil; kCl, bl,k u l , etc., etc... coeficientes d e velocidad. cuerda de un perfil. longitud radial del álabe, luz de un perfil. momento;M,, masa molecular relativa (antiguamente llamada masa molecular); MP, media presión.

NOMENCLATURA EMPLEADA

escalonamiento de acción. axial, atmosfdrico, ambiente, absorbido, álabe, alta presión, aire. base del Blabe, bomba, baja presi6n. Carnot, compresor, escalonamiento Curtis, parametros crfticos del vapor; Ca, caldera; Co, conducto combustible, chorro de gas, cedido, parámetro critico en la garganta de una tobera; c.a., columna de agua.

.

difusor entrada en la máquina. efectivo, empuje, escalonamiento, exterior. corona fija, fricción. salida de un compresor. generador. gas. interno; is, isotdrmico.

K

salida de una turbina.

1

liquido.

MTG motor de turbina de gas. mecdnico, medio, meridional, modelo, corona móvil, media presión. nominal o de diseño. neto, normal. óptimo. propulsivo. nominal o de diseño. neto, normal. óptimo. propulsivo. isobarico, precedente, politrópico, prototipo, punta del alabe. escalonamiento de reacción, escalonamiento de regulación, Rankine. r

radial, recuperado, refrigerador.

S

final proceso adiabdtico-isentrópico, estado de saturaci6n del vapor.

T

turbina.

tob

tobera.

tot

total, estancamiento (o remanso).

u

perifdrico. marcha en vaclo.

NOMENCLATURA EMPLEADA

ABREVIATURAS DE LAS TURBOMAQUINAS

B

bomba hidráulica.

TC

turbocompresor.

TG

turbina de gas (unidad-TG ; motor-TG).

TH

turbina hidráulica.

TM

turbomáquina.

TMG

turbomáquina generadora.

TMH

turbomaquina hidráulica.

TMM turmáquina motora. TMT

turbomáquina térmica.

TT

turbina térmica (turbina de vapor y turbina de gas, o sea, turbomáquina térmica con exclusión de los turbocompresores). turbina de vapor.

NOTA FINAL En la confecci6n del libro, sobre todo en lo que atañe a fórmulas y figuras, hemos seguido algunas normas que esperamos faciliten la lectura del mismo: - La enumeraci6n de los ciclos de vapor o de gas se empieza a la entrada del compresor o de la bomba. - En el estudio de las maquinas el punto 1 representa la entrada en una corona m6vil y el punto 2 la salida. El punto O la entrada en la corona fija de una turbina y el punto 3 la salida d e la corona fija de un turbocompresor. Así, por ejemplo, el punto 1en una turbina representa el punto de salida de la corona fija y entrada de la corona móvil. Si hay que hacer distinción entre ambos puntos se designará con 1' la salida de la corona fija y 1 la entrada en la corona movil, etc. - Qiz, W34,etc rep resentan calor transmitido en el proceso 1-2, trabajo realizado en el proceso 3-4, etc, ... - Las magnitudes referentes a los escalonamientos primero, segundo, tercero, etc. de una designa turbomáquina se designan con números romanos 1, 11, 111, etc. Asf, por ejemplo, w z r ~ la velocidad relativa a la salida de la corona m6vil del cuarto escalonamiento, etc. - Se designa con K el punto final de salida de una turbina d e vapor d e condensaci6n, con J el punto final d e salida d e una turbina de vapor de contrapresibn o de escape libre, y con F el punto final d e salida de un turbocompresor. - E designa la entrada en la máquina. - La nomenclatura seguida en los triángulos de velocidad se explica en las págs. 165-168. - Los valores medios se indican con una raya colocada sobre la letra correspondiente. Ejemplo : Fp valor medio de c p en el proceso. - El subfndice s indica el final de una expansi6n adiabatico-isentropica. - Vt designa el rendimiento térmico de un proceso o ciclo ideal.

....

...

...

Introducción

1.1. Clasificación de las máquinas de fluído. Definición de turbomáquina.

Las turbomáquinas constituyen una clase especial dentro de las máquinas de flu ido. Máquinas de fluído son aquéllas que absorben energía de un fluído y restituyen generalmente energía mecánica en el eje, como en una turbina de vapor, que acciona un generador; o energía propulsiva en el chorro, como en un turborreactor o un cohete; o bien absorben energía mecánica en el eje y restituyen energia a un fluído. Los motores Diesel, los motores de explosión, las bombas de émbolo, los turbocompresores, etc., etc., son máquinas de fluído. El fluído puede ser un líquido o iin gas; el órgano intercambiador de energia mecánica y de fluído puede estar dotado de movimiento rotativo o movimiento alternativo: estos y otros factores pueden servir para clasificar las máquinas de fluído. Podemos lograr una clasificación binaria rigurosa si atendemos al principio de funcionamiento. Según el principio de funcionamiento las máquinas de fluído se clasifican en turbomáquinas y máquinas de desplazamiento positivo. Las turbomáquinas (en abreviatura en este libro TM) se llaman también máquinas de corriente o máquinas dinámicas. En ellas el intercambio de energía es debido, como estudiaremos en el Cap. 5, a la variación del momento cinético del fluído en su paso por el órgano intercambiador de energía, dotado de movimiento rotativo, que se llama rodete. La ecuación de Euler o ecuación findamental de las turbomáquinas (véanse las Secs. 5.3 y 5.4), basada en el teorema del momento cinético, es básica para el estudio de estas máquinas. Definición de turbomáquina TURBOMAQUINA ES AQUELLA MAQUINA DE FLUIDO CUYO FUNCIONAMIENTO SE BASA EN L A ECUACION DE EULER O ECUACION FUNDAMENTAL DE LAS TURBOMAQUINAS.

El segundo grupo de máquinas de fluído incluye no sólo las máquinas de émbolo o máquinas alternativas, sino todas aquellas, incluso rotativas (motor Wankel, bomba o motor de lóbulos o de engranajes), cuyo principio de funciona-

l . INTRODUCCION

3

térmica (diseño este último más esmerado, porque tendrá en cuenta la variación del volumen específico en la máquina).

1.3. Definición de turbomáquina térmica TURBOMAQUINA TERMICA ES AQUELLA MAQUINA DE FLLIIDO CUYO PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO ES L A ECUACION DE EULER, Y CUYO ESTUDIO Y DISENO SE HACE TENIENDO EN CUENTA LA VARlAClON DEL VOLUMEN ESPECIFICO DEL FLUIDO ATRAVES DE LAMAQUINA.

El presente volumen está consagrado al estudio de las turbomáquinas térmicas.

1.4. Segunda clasificación de las turbomáquinas

Las turbomáquinas pueden también clasificarse, según el sentido que sigue la cesión de la energía, en turbomáquinas motoras y generadoras. En las turbomáquinas motoras (en abreviatura TMM) el fluído cede energía a la máquina. Ejemplo: en una turbina de vapor, el vapor cede energía (entalpía) a la máquina, que la transforma en energía útil para el accionamiento de un alternador. En las turbomáquinas generadoras (en abreviatura TMG), la máquina comunica energía al fluído. Ejemplo: en una bomba centrífuga se comunica energía (presión) al agua: el agua tiene más presión a la salida que a la entrada.

fluido (filamento d e corriente).

Fig. 1-1.-Triedro intrínseco de una turbornáquina diagonal cónica (superficie de corrient e desarrollable en u n plano).

1

l . INTRODUCCION

La historia de la turbina de vapor se inició a fines del siglo pasado. Entre los muchos investigadores que contribuyeron a su desarrollo mencionaremos sólo los dos principales, que fueron los creadores de las turbinas de vapor modernas. El primero es el genial inventor sueco De Lava1 (1845-1913), que creó, como subproducto de su desnatador centrífugo, impulsado por la necesidad de encontrar un accionamiento de gran velocidad para el mismo, la turbina de vapor de acción, de un solo escalonarniento, llamada turbina de Laval. De Lava1 desarrolló para su turbina la tobera convergente-divergente con velocidad supersónica de salida de vapor y el eje flexible, cuya velocidad crítica quedaba por debajo de la velocidad de giro de la turbina, 30000 rpm. El segundo es el inglés Parsons (1854-1931), quién en busca de un motor marino apropiado, desarrolló la turbina de vapor de reacción de varios escaloriamien-

Fig. 1-7.-Esquema de una TV de accián de un solo escalonamiento; turbina De Laval.

tos. El "Turbinia", primer barco equipado con turbina de vapor, fue fletado en 1895. Parsons resolvió el problema de la marcha atrás mediante un doble rodete, y consiguió mejores rendimientos que con las máquinas alternativas d'e vapor que se utilizaban en aquel entonces.

i I

La propulsión de barcos de gran tonelaje exige potencias imposibles de alcanzar con las antiguas máquinas alternativas de vapor. Hoy la turbina de vapor compite con el motor Diese1 en este campo y es en el de las grandes potencias muchas veces el motor preferido. Ya en el año 19 17 el crucero inglés Hood de 42000 toneladas, propulsado por turbinas de vapor, desarrollaba en sus cuatro ejes una potencia total de mas de 150000 kW.

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I

i 1

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La figura 1-7 representa un esquema de la TV más sencilla, turbina.de vapor de acción de un solo escalonamiento, que es la turbina primitiva de Lava1 y que Fueden servir para explicar el funcionamiento de este motor. En la tobera 1 fija se expansiona el vapor incrementándose su energfa cinética. La velocidad de salida del vapor depende de la presión y tempkrafura del mismo antes de la tobera, así como de la presión que reine a la salida de la tobera, o sea a la entrada del ro-

l . INTROD UCCION

bina, conseguida esta +últimagracias a la investigación metalúrgica de=in%tteri8les para altas temperaturas. Actualmente la temperatura de entrada del gas enqk$turbina es superior en muchos casos a los 1 O00 "C, La mejora del rendimiento se ha logrado tambien empleando ciclos diversos. Finalmente se están ensayando con bxito TG que funcionan en circuito cerrado con combustible sólido (polvo de carbón, de hulla, lignito, etc.), lo cual ciertamente no mejoraría el rendimiento, pero si la economía del motor. Ya a fines de 1967 en Europa, USA y Jap6n (véase la figura 1-14) se hablan contratado 13s siguientes TG: 3378 (potencia total 412 MW) de potencia inferior a 750 MW; 2585 con potencias de 750 a 15000 KW (potencia total 11450 MW) y 556 mkquinas con potencia superior $15 MW (potencia total 11850 MW). Desde entonces el mercado de las TG experimentó un aumento siempre creciente. La investigación continiia porque subsisten los mismos problemas que, hace años (aunque algunos se encuentran ya parcialmente resueltos) tales como la corrosión y depósitos de cenizas, que junto con la resistencia, imponen un límite en la Blecci6n de elevad& temperaturas, Hoy dia las temperaturas de 850 a 900 OC sin utilizar procedimientos muy elaborados de refrigeraci6n, son dominables. En la actualidad se estiman como combustibles ideales para las TG elgas natural y los combustibles ligeros; y no ideales los que contienen una c-antidad relativamente grande de azufre. En particular el gas natural está prácticamente exent6 d e dep6sitos, lo que permite mayor elevaci6n de la temperatura, y consiguientemente mayor rendimiento. En cambio con aceites pesados de gran contenido de azufre y cenizas no es posible elevar la temperatUra por encima de los 650° C, para evitar la corrosión por SO3 y 02.

Citemos algunos de los campos de aplicación más importantes de la TG. 1. Históxicamente una de las primeras aplicaciones de las TG, y que en la actualidad ha adquirido aun mayor importancia es la del turbosobrealimentador de los motores alternativos de combusti6n interna. El turbosobreziiimentador ,es una TG sin cámara de combustión ni compresor propio, que es accionada por los gases de escape del motor de explosión o Diesel. La potencia iitil de la TG se emplea en accíonar un compresor que eleva la presión del aire $e eitra en el motor. De ahi el nombre de turbosobrealimentador con que se le conoce.

. .. Fig.

.

5 .-Turboso brealim entador HispanoS U ~ ZH-S B 400.

1. INTRODUCCZON

rBR73T -

-.

-

++ :-2-

c) ~ ú s ~ uae d~ n 5 m " ~ c ' a ~ ~ o " i e m k riujo ' a =
Las figuras 1-17 a 1-19 representan tres turborreactores de aviación de las firmas MTU, Pratt and Whitney y General Electric. La figura 1-20 corresponde a un motor turbohklice. El turbohklice es más econ6mico que el turborreactor en velocidades inferiores de vuelo. En él el empuje

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Fig. 1-17.-Motor turbohkiica TYNE, construido en siete tipos distintos por la firma M.T.U., Alemania. Es el turbohélice de mayor potencia que se construye en la actualidad (1983) en el mundo occidental. De 2 ejes, con compresor de baja presión de 6 escalonamientos y compresor de alta presión de 9. Cámara anular de combustión con 10 tubos de llama. La turbina consta de un escalonamiento refrigerado para accionamiento del TC de alta y de una turbina de baja presi6n de 3 escalonamientos para accionamiento del TC de baja y de la hélice, esta última a través de un engranaje planetario. Los datos técnicos del tipo MK 515-101W, el de mayor potencia de la familia, son: Potencia máxima, 4026 kW;empuje residual, 4,74 kN;consumo especifico de combustible, 0,307 kg/kWh; caudal másico de aire, 21,14 kg/s; relación de compresi_ón,-l3,86; temj?err_atu.rg~ ~ t r a TG d a de AP, 1242 K; n hélice, 977 rpm; n eje BP, 15250 rpm; .'1 { T ~ J iwin ,fi;:i~)oyc!;),.>~k. n eje AP, 18150 rpm.

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(1) Las firmas alemanas M.A.N. Turbo y Daimler Benz formaron al final del año 1968 la Entwicklungsgesellschaft fur Turbomotoren (Socjedad para el desarrollo de turbomotores), que con la colaboración de la Compañía Rolls-Royce inglesa se consagra a la investigación y desarrollo de nuevos motores TG.

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l . ZNTRODUCCZON

Fig. 1-19.-Turbofan CF6-80C2 de la Genc Electric con ventilador frontal. Dos ejes. Con diversos tipos de la serie CF6 están equipados los aviones Airbus A300B2/B4, McDonnellDouglas DC-10-30, el Boeing 747, etc. Su versión militar es el TF39, montado en el Lockheed C-5A Galaxia. La serie 80 de este motor tiene un consumo específico de combustible 6%menor, un 6 % menos de peso y menor longitud. En 1985 el 50% de los motores del Airbus eran de este tipo. En un eje coaxial van montados el ventilador y el TC de baja presión de 3 escalonamientos, accionado por la TG de BP de 4 escalonamientos. El TC de AP de 14 escalonamientos es accionado por las TG de AP de 2 escalonamientos refrigerados. Las coronas fijas de los 6 primeros escalonamientos del TC de alta presión son de alabes orientables. La cámara de combustión anular posee 30 inyectores. Características t6cnicas del tipo 80C: empuje máximo en el despegue, 262,4 kN; empuje mtíximo en régimen de crucero, 56 kN;consumo especffico de combustible, 17,02 g/kN S: caudal máximo de aire en el despegue, 6 6 1 kg/s; relación de by- 4,69:1; relación total de compresión en el despegue, 31,2:1; relación de compresión del ventilador en el despegue, 1,72:1; temperatura de entrada en TG de AP, 1306 OC. El motor CF6-80C2 de la figura ha sido diseñado con la tecnologfa más avanzada, según el programa de la NASA (Energy Efficient Engine), alcanzando el empuje mas elevado y el consumo especffico más bajo de todos los motores de aviación comercial hasta el presente (1985), destinado a ser el motor de los años 80. vprnel.iw

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turbina axiái de 3 escalonarnientos.

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l . ZNTRODUCCION

Fig. 1-22.-Pequeña turbina de gas M.A.N. Turbo 6012. Se construye en potencias hasta de 81 kW para el accionamiento de bombas, etc.: 0. difusor de escape; 1 . carcasa de la turbina; 2 . corona directriz de la turbina; 3 . cámara de combustión; 4. inyector; 5 . perno desujeción; 6 . cojinete de bolas d e la turbina; 7. carcasa de transmisián; 8. eje d e salida; 9. captador de temperatura; 10. rodete de la turbina; 11. válvula de drenaje; 12. cojinetes de rodillos de la turbina; 13. rodete del compresor; 14. depósito de aceite de engrase; 15. regulador; 16. bomba del inyector.

Fig. 1-23.- El '*hidrpfoil" Bras d'Or ,de la.marina de guerra canadiense que fue un ciempo ( 1 9 7 0 ) el barco de guerra m& veloz del mundo de 225 toneladas estaba propulsado par, un solo motor P. an$ W. FT4 en,.la marcha q.-.v&~ciaad (72,3 millas/hora) y fue deseqqig a la batalla submarina. P. and W. suministra TG marina%de 379 a 22400 kW al freno para barcos p@íueños y grandes. .-.L

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Fig. 1-24.-El "Houercmft" SRN 4 de la Westland Aircraft : ...&,";l),': -L.: ... t , l ,.' L..,:; , *:,/ J ! i +1: :, ,f!,

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accionados los TC con la energia sobrante en esas horas y en las cargas punta dicho aire comprimido almacenado sirve como aire de combustión para una TG. (Véase la fig. 1-25). 1.9. Breve resumen de la propulsión a chorro y de las aplicaciones aeronduticas . de la turbina de gas.

Dejando el estudio detallado de los motores aeronáuticos de reacción para los libros especializados (1) damos a continuación un'breve resumen de lo que constituye en el momento presente la aplicación más importante de las TG.

Fig. 1-25.-Turbocompresor Sulzer instalado en la primera central del mundo de acumulación de energfa por aire comprimido;Botenoia de accionamiento del TC, 60 MW; presión máxima 72 bar. Potencia d e la TG alimentada con el aire a presión acumulado, 290 MW. (1) Véase, p6r ejemplo, la'excelente obra ;U& trakucida por el autor del pxesente libro, STECKIN, Teoría de los motores d e reaccidn, Madrid, Dossat 1964,686 págs.

este principio 'el caudal másico multiplicado por el incremento de velocidad que experimenta el fluido desde A l hasfa A 2 es igual a la suma de todas las fuerzas que se ejercen sobre el fluido, a saber de la reacción R y de las fuerzas de presión que el fluído ejerce en A l y A, sobre la porción aislada del chorro. Tomando, pues, como positiva la dirección del chorro, se tendrá:

* donde G = caudal másico de aire. Gc = caudal másico del combustible adicionado al aire en la cámara de combustión. +. c; c1 - velocidad del fluído que sale y respectivamente del fluído que entra :. en el motor.

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Siendo

Por tanto

+

R=

( G + G,);~

- G W ~- p 1 A l

+ ~2Az

Sustituyendo la ecuación ( 1 -8) en la (1 -7), se tiene:

+

E = (G + Gc) W2 -

GG, +

A2 (p2-pamb)- A l (PI

- ~amb)

En el motor en vuelo : -+

w2 =

2, (velocidad del chorro)

-f

+ wl = V (velocidad de vuelo).

Si además suponemos, como ocurre en la realidad que G + Gc ==G se tendrá la fdrmula simplificada del empuje:

A la velocidad de vuelo V la potencia desarrollada por el motor, será:

Se define el rendimiento propulsivo:

Tp=

~ o ~ e n edi ae ~ m b u j e del chorro

-Potencia