00_Leccion-15b_MCPL_Turbobombas

Vista previa del material en texto

MOTORES COHETE
Grado en Ingeniería Aeroespacial (Curso 4º)
Juan Manuel Tizón Pulido 
jm.tizon@upm.es
Departamento de Mecánica de Fluidos y Propulsión Aeroespacial
Lección 15a_bis: Turbomáquinas
• Introducción y clasificación
• Conceptos básicos
o Sistemas de referencias
o Entalpía y rotalpía
• Funcionamiento básico
– Bombas y compresores
– Turbinas
• Análisis dimensional
– Teorema 
– Parámetros relevantes
– Selección: Gráficos ns‐ds
• Actuaciones de bombas y turbinas
• Consideraciones de diseño
J. M. Tizón
Turbomáquinas
J. M. Tizón
Definición
Las turbomáquinas son mecanismos que suministran u obtienen potencia
mecánica de una corriente fluida mediante la adecuada interacción entre
elementos móviles, a menudo giratorios (‘turbo’ significa remolino en latín)
y fijos.
La acción de la turbomáquina sobre el fluido resulta en un cambio de su
estado, que normalmente se asocia a un aumento o disminución de
presión que es el resultado esperado.
Clasificación, tipos y terminología
Existe una gran variedad tanto de geometrías como de fluidos de trabajo.
La primera distinción que podemos hacer es atendiendo al signo de la
potencia. Hablamos de turbinas cuando las turbomáquinas extraen
potencia mecánica del fluido de trabajo y de compresores o bombas
cuando la potencia incrementaa la energía del fluido.
En atención a la naturaleza del fluido, gases compresibles (compresores) o
liquidos en situaciones normales que se pueden considerar incompresibles
(bombas).
Podemos establecer otra clasificación atendiendo a la dirección principal
del fluido en relación al eje de rotación del elemento giratorio, encontrando
maquinas axiales, cuando ambas direcciones son aproximadamente
paralelas, radiales (en ocasiones se emplea el termino centrífugo, en virtud
al importante papel que realiza la fuerza de inercia del mismo nombre)
cuando la entrada o salida de fluido es perpendicular al eje de giro y mixtas
cuando nos encontramos en situaciones intermedias.
También es posible distinguirlas en función de como se gestiones los
cambios de presión cuando el fluido atraviesa las partes móviles y fijas.
Nos referimos entonces a maquinas de impulso, cuando las variaciones
mas intensas de presión tienen lugar en las partes fijas y maquias de
reacción en las que las variaciones de presión se reparten mas o menos
por igual.
1
2
extW 
Sinopsis
o Compresores, bombas, ventiladores y
turbinas.
o Máquinas volumétricas o continuas.
o Flujo compresible vs. Incompresible.
o Máquinas axiales, radiales o mixtas.
o Mono-escalón, multi-escalón.
o Reacción o impulso.
o Admisión parcial.
o Etc.
Tipos y clasificación
J. M. Tizón
(Fluid Dynamics and Heat Transfer of Turbomachinery, B. Lakshminarayana, John Wiley & Sons, Inc. 1996)
Tipos y clasificación
J. M. Tizón
Rotalpía
J. M. Tizón
Ecuación de Euler
La ecuación de Euler de las turbomáquinas establece
Lo que indica que la cantidad
se conserva al atravesar la turbomáquina.
   2 2 1 1 2 1ext t tW m U V U V m h h      
1
2
extW 
2 2 1 1 2 1t tU V U V h h   
1 1 1 2 2 2t th U V h U V I    
 
 
21
2
2 21
2
2 21 1
2 2
2
tI h UV h V UV
I h W UW U UV
I h W U U W V
 
 
 
    
    
    
2 2 22
r r
z z
V W
V W V W W U U
V W U

 
 
   
  
2 21 1
2 2I h W U  
Conservación de la rotalpía
Cuando se realiza un análisis riguroso de la expresión de la
rotalpía se observa que ésta se conserva si el flujo es:
• Estacionario.
• Adiabático.
• Sin viscosidad
Estrictamente hablando, seria necesario tener en cuenta
disipación de energía debido a la fricción en el cárter.
De esta manera la ecuación de la energía en ejes relativos
se reduce a la conservación de la rotalpía (análogamente a
la conservación de la entalpía de remanso en conductos
adiabáticos sin partes móviles)
Rotalpía
La cantidad I, denominada rotalpía, se conserva bajo
ciertas condiciones y su expresión habitual se obtiene:
Rotalpía vs. Entalpía
J. M. Tizón
Conservación de la entalpía de remanso
Cuando un fluido atraviesa una porción de la turbomáquina en la
que no hay intercambio de calor y trabajo la entalpía de remanso
se conserva:
Lo que implica, por ejemplo, que la temperatura de remanso
(calculada, naturalmente, con la velocidad absoluta) permanece
constante.
2 4t th h
2 21 1
2 2 2 4 4 42 2p t p p t pc T c T V c T c T V    
Conservación de la rotalpía
Cuando el fluido atraviesa una porción de la turbomáquina en la que tiene lugar el trabajo de un rotor la conservación de
la energía permite enunciar que la rotalpía permanece constante (aproximadamente constante en el caso mas general):
Y si las líneas de corriente permanecen paralelas al eje las velocidades de arrastre en las secciones de entrada y salida
son similares, resulta en la conservación de la entalpia de remanso en ejes relativos
2 2 2 21 1 1 1
1 2 1 1 1 2 2 22 2 2 2I I h W U h W U      
2 21 1
1 2 1 1 2 22 2U U h W h W   
2 4t th h1 2t th h 
1 2
4
1 2t th h 
Rotalpía vs. Entalpía
J. M. Tizón
Conservación de la entalpía de remanso
Cuando un fluido atraviesa una porción de la turbomáquina en la
que no hay intercambio de calor y trabajo la entalpía de remanso
se conserva:
Lo que implica, por ejemplo, que la temperatura de remanso
(calculada, naturalmente, con la velocidad absoluta) permanece
constante.
2 4t th h
2 21 1
2 2 2 4 4 42 2p t p p t pc T c T V c T c T V    
Conservación de la rotalpía
Cuando el fluido atraviesa una porción de la turbomáquina en la que tiene lugar el trabajo de un rotor la conservación de
la energía permite enunciar que la rotalpía permanece constante (aproximadamente constante en el caso mas general):
Y si las líneas de corriente permanecen paralelas al eje las velocidades de arrastre en las secciones de entrada y salida
son similares, resulta en la conservación de la entalpia de remanso en ejes relativos
2 2 2 21 1 1 1
1 2 1 1 1 2 2 22 2 2 2I I h W U h W U      
2 21 1
1 2 1 1 2 22 2U U h W h W   
2 4t th h1 2t th h 
1 2
4
1 2t th h 
Turbina axial
J. M. Tizón
Aerodinámica
El movimiento en el interior de las turbomáquinas axiales se
puede analizar de forma aproximada teniendo en cuenta lo
que ocurre en el plano circunferencial. En este movimiento
bidimensional, las secciones de los alabes son perfiles
aerodinámicos en torno a los cuales el flujo aerodinámico se
repite periódicamente. Técnicamente se habla de flujo
aerodinámico en una cascada de alabes, es decir, una hilera
matemáticamente infanta de ellos.
Compresor axial
J. M. Tizón
Aerodinámica
Para el compresor la situación es similar a la de la turbina,
aunque habitualmente el escalón de compresor se
establece mediante un estator y un rotor (mientras que en
la turbina la asociación es a la inversa, estator+rotor).
El movimiento en la cascada de alabes debe ser
completado con alguna descripción de lo que ocurre en el
plano meridional.
Bomba centrífuga
J. M. Tizón
Aerodinámica
En el caso de compresores o bombas centrífugas (disposición habitual de las bombas de liquido empleadas en motores
cohete, con algunas excepciones) la aerodinámica se ve simplificada debido a la combinación entre la entrada axial y la
salida radial que se puede considerar uniforme en el plano circunferencial de salida.
Este tipo de turbobomba cuenta con la ayuda de la fuerza centrifuga, que contribuye de manera decisiva a la relación de
compresión por escalón, convirtiendo a estos sistemas en muy competitivos cuando la simplicidad (costo) y peso (numero
de escalones, son factores determinantes por encima de consideraciones relacionadas con la eficiencia (rendimiento) o la
sección frontal. Al igual que en los elementos anteriores en el movimiento relativo dentro del
rotor puede considerarse estacionario lo que da la pauta del análisis simplificado.
 , , , , , , ,...p f Q D     
Análisis dimensional
J. M. Tizón
Máquina incompresible
Considérese una bomba o una turbina que trabaja con un liquido (fluidoincompresible). Se actúa sobre ella mediante un
motor eléctrico o un freno (1 g.l.), respectivamente, y se impone una restricción activa a la salida mediante, por ejemplo,
una válvula de mariposa (1 g.l.), regulando la contra-presión en la descarga. En estas condiciones, hay DOS parámetros
de control de la maquina, que determinan variables de salida como la potencia por unidad de gasto, la presión obtenida o
el rendimiento. Es decir, una expresión del tipo:
Aplicación del Teorema  (de Vaschy-Buckingham)
A efectos prácticos el teorema establece que dada una relación funcional entre n variables dimensionales, que implican a
k dimensiones físicas fundamentales, se puede expresar la función mediante n-k cantidades adimensionales.
La dependencia funcional se extiende a cinco variables independientes (n = 5) cuyas dimensiones contienen tres (k = 3)
magnitudes físicas fundamentales, entonces tomando para longitud, masa y tiempo, , D y . En estas condiciones, la
presión de salida, el trabajo o el rendimiento pueden expresarse en función de DOS parámetros adimensionales:
   2 2 3 2
, , , ,...p Qf
D DD D
 

 
      
2
2 2 3, ,
Q DRe
D D
  


   
 


 f 
PARÁMETRO
DE FLUJO
PARÁMETRO
DE CARGA
inestable
cavitació
n
NÚMERO DE 
REYNOLDS
Previo: Análisis dimensional
J. M. Tizón
Máquina incompresible
En el funcionamiento de la máquina se puede identificar el punto de máximo
rendimiento que quedará caracterizado por la pareja de valores (s, s) para
cada tipo y configuración de turbomáquina pudiéndose elaborar diagramas
que identifique funcionamientos especiales para cada tipo de sistema.
Tradicionalmente se define DOS parámetros adimensionales (la velocidad
especifica Ns y el diámetro especifico Ds) que caracterizan el funcionamiento y
que admiten diversas interpretaciones pero en definitiva son, naturalmente,
función de los parámetros de carga y flujo:
1 2
3 4
1 4
1 2
s
s
QN
DD
Q








s
s
2 2
3
1
1
s s
s s
N D
N D




max
Posible definición
• El parámetro Ns expresa la velocidad de rotación necesaria para
funcionar con un determinado nivel de potencia y caudal
independientemente del diámetro de la maquina.
• El parámetro Ds expresa el diámetro necesario para funcionar
con un determinado nivel de potencia y caudal
independientemente de la velocidad de rotación de la maquina.
sD
sN0.1 1.0 10
1.0
0.1
10
1
210
210
Diagramas de velocidad específica: Ns
J. M. Tizón
Diagramas de selección– Máximo rendimiento
Derivado de los resultados en régimen incompresible que sugieren que el punto de máximo rendimiento
establece una ligadura entre Ns y Ds es habitual encontrarse con información que recopila el valor del
rendimiento máximo alcanzable en función de la velocidad especifica para cada tipo de turbomáquina.
max
sN
Diagramas Ds ‐Ns
J. M. Tizón
Bombas y compresores
Fijado el valor de los parámetros Ds
y Ns es posible evaluar mediante
métodos semi-empíricos y a menudo
heurísticos procedimientos que fijen
el resto de parámetros que definen el
diseño en detalle de la maquina y
una estimación del rendimiento.
Se establecen, en definitiva, rangos
de utilización recomendada para los
diferentes tipos de turbomáquinas.
El procedimiento esta muy arraigado
en maquinas incompresibles pero
también hay extensiones a
compresores y turbinas en
regímenes claramente compresibles,
en los que como mínimo hay que
añadir un parámetro adimensional
más, un número de Mach.
sD
sN
Balje, “Turbomachines: A Guide to Design, Selection and Theory”. John Wiley and Sons, 1981.
Dimensionado preliminar
J. M. Tizón
Datos
Conocida la presión de descarga de la bomba y el caudal de
propulsante se puede después de elegir un punto adecuado
del diagrama Ns-Ds , dimensionar la bomba, obtenido el
diámetro máximo y el régimen de giro
  1 2 3 4s dN Q 
 1 2 1 4s dD Q D 
Consideraciones
Hay varias fases en las que es necesario tomar decisiones:
• Si se sobre pasa el límite de esfuerzos. El material a emplear
• Se contempla la posibilidad de varios escalones si no se accede
en el intervalo adecuado.
• Problemas de cavitación. 2,tip u m tipU D U  
Motor J‐2: Turbobomba de LH2
J. M. Tizón
Motor Vulcain 2: Turbobomba LOX
J. M. Tizón
Motor F‐1: Ciclo GG
J. M. Tizón
Descripción: RD170
J. M. Tizón
VULCANO: Generador de gas
J. M. Tizón
Sistema de alimentación: VULCAIN
J. M. Tizón
SSME: Ciclo SC
J. M. Tizón
SSME: Combustión escalonada
J. M. Tizón
Oxidizer
Preburner
High-Pressure
Oxidizer Turbopump
Low-Pressure
Fuel Turbopump
Controller
Propellant
Valves
Hydraulic
Actuators
Nozzle Main Combustion
Chamber
Hot Gas
Manifold
Fuel Preburner
Low-Pressure
Oxidizer Turbopump
High-Pressure
Fuel Turbopump
SSME Main Injector
Assembly
SSME: Componentes de potencia
J. M. Tizón
SSME: Componentes de potencia
J. M. Tizón
Ejemplo: SSME‐HPFTP
1.71
0.77
0.41TK


 
 
 
1.48
0.60
0.39TK


 
 
 
J. M. Tizón