Turbomáquinas de fluido compresible : turbocompresores, turbinas de gas, turbinas de vapor / Manuel Polo Encinas.

CONTENIDO
Nomenclatura 13
Sistema Internacional de Unidades (SI) 15
I. PRINCIPIOS TEORICOS GENERALES
Capítulo 1. Los fluidos compresibles en las conversiones de la energía 19
1.1. Características del fluido compresible 19
1.2. Definición de turbomáquinas de fluido compresible. Tipos fundamentales 19
1.3. Importancia de las turbomáquinas de fluido compresible en las conversiones de la energía 19
1.4. Métodos de estudio de las turbomáquinas 23
Capítulo 2. Fundamentos de la dinámica de los fluidos compresibles 25
2.1. Ecuación dinámica para el flujo estable unidimensional 25
2.2. Velocidad de la onda elástica. Relación con el módulo de elasticidad. Velocidad del sonido en un gas ideal 27
2.3. Número de Mach. Flujos subsónicos, transónicos y supersónicos 29
2.4. Efectos de la variación del área de paso. Toberas y difusores 31
2.5. Flujo de gases ideales en proceso isoentrópico en toberas y difusores. Valores críticos 34
2.6. Variación de la presión, de la velocidad, del volumen específico, de la temperatura y del flujo de masa en una tobera 40
2.7. Rendimiento de una tobera 43
2.8. Flujo de fluidos compresibles por ductos de sección constante, sin fricción y
con transferencia de calor. Curvas Rayleigh 45
2.9. Flujo de fluidos compresible por ductos de sección constante, con fricción y en proceso adiabático. Curvas Fanno 52
2.10. Ondas de choque normal 60
Capítulo 3. Transferencia de energía entre el fluido y máquina. Parámetros característicos 65
3.1. Componentes de la velocidad absoluta. Diagramas vectoriales 65
3.2. Ecuación de Euler de la transferencia de la energía 66
3.3. Ecuación de la transferencia de energía bajo la forma de componentes energéticas 69
3.4. Grado de reacción 71
3.5. Similitud en las turbomáquinas 75
3.6. Leyes de las turbomáquinas. Parámetros característicos 76
3.7. Parámetros que caracterizan al fluido 76
3.8. Coeficientes de funcionamiento 77
3.9. Relación de Combe-Rateau. Coeficientes de velocidad. Valores unitarios 80
3.10. Velocidad específica 82
3.11. Conjugación de los parámetros del diseño: dimensiones y velocidad de giro 83
3.12. Rendimiento 84
3.13. Bases para una clasificación de las turbomáquinas 85
II. TURBOCOMPRESORES
Capítulo 4. Compresores: Tipos y características generales 89
4.1. Definición e importancia de los compresores en el desarrollo tecnológico 89
4.2. Clasificación general de los compresores 90
4.3. Turbocompresores 90
4.4. Compresores reciprocantes o de pistón 97
4.5. Compresores rotativos positivos y bombas de vacío 97
4.6. Análisis comparativo de los distintos tipos de compresores 103
Capítulo 5. Procesos de compresión 105
5.1. Introducción 105
5.2. Procesos de compresión 105
5.3. Compresión politrópíca sin enfriamiento. Factor de recalentamiento. Rendimiento interno 105
5.4. Compresión politrópíca eliminando calor (con enfriamiento) 111
5.5. Compresión isotérmica, n igual a 1 112
5.6. Relación de presiones en un escalonamiento. Rendimiento interno 114
5.7. Proceso de compresión en varios escalonamientos. Ventajas de la división de la compresión 119
Capítulo 6. Características de operación de los turbocompresores centrífugos 125
6.1. Descripción de un turbocompresor centrífugo de un escalonamiento 125
6.2. Tipos de impulsores centrífugos 125
6.3. Energía transferida entre máquina y fluido. Influencia del ángulo beta de salida del alabe. Grado de reacción 129
6.4. Factor de reducción de la energía transferida o factor de deslizamiento 133
6.5. Característica teórica 136
6.6. Curvas características de operación 137
6.7. Influencia de las propiedades del fluido en las características de operación 138
6.8. Turbocompresor centrífugo de varios escalonamientos 140
6.9. Compresores centrífugos isotérmicos. Sistemas de enfriamiento 143
6.10. Control del proceso de operación de un turbocompresor centrífugo 152
Capítulo 7. Características de operación de los turbocompresores axiales 159
7.1. Definición y descripción de un turbocompresor axial 159
7.2. Funcionamiento del turbocompresor axial. Diagramas de velocidades 162
7.3. Ganancia teórica de presión en un escalonamiento 165
7.4. Grado de reacción y tipos de escalonamientos 167
7.5. Control del proceso de operación de un turbocompresor axial 176
7.6. Turbocompresor axial-radial 178
Capítulo 8. Parámetros para el diseño de turbocompresores. Selección de tipos 183
8.1. Consideraciones generales 183
8.2. Parámetros para el diseño de turbocompresores 183
8.3. Velocidad periférica, coeficiente de flujo y coeficiente de presión. Velocidad crítica 185
8.4. Normas para el diseño de turbocompresores 193
8.5. Adaptación a volúmenes de flujo diferentes 194
8.6. Selección del tipo de compresor: centrífugo o axial 194
8.7. Adaptación a diferentes presiones de operación 195
8.8. Adaptación a diferentes relaciones de presión: Número de escalonamientos 196
8.9. Materiales de construcción 197
8.10. Limpieza interna por inyección 197
8.11. Selección de turbocompresores isotérmicos 198
III. TURBINAS DE GAS
Capítulo 9. Teoría general de la turbina de gas 211
9.1. Definición y partes esenciales de la turbina de gas 211
9.2. Desarrollo de la turbina de gas 212
9.3. Ciclos teóricos de la turbina de gas 214
9.4. Análisis termodinámico del ciclo Brayton simple. Rendimiento térmico 215
9.5. Relación óptima de presiones 217
9.6. Ciclo básico real de las turbinas de gas 223
9.7. Rendimiento del ciclo real de un motor de turbina de gas. Influencia de las temperaturas T3 y T1 y de los rendimientos nic y nit 225
9.8. Potencia específica y consumo específico de un motor de turbina de gas en función de T3 y de la relación de presiones 232
Capítulo 10. Ciclos prácticos en turbinas de gas 239
10.1. Ciclo Brayton regenerativo 239
10.2. Rendimiento térmico del ciclo Brayton estándar con regenerador 241
10.3. Rendimiento térmico de un motor de turbina de gas real con regenerador 245
10.4. Ciclo con enfriamiento intermedio en la compresión y con regenerador 249
10.5. Ciclo con recalentamiento intermedio en la expansión y con regenerador 253
10.6. Ciclos múltiples: con enfriamiento, recalentamiento y regenerador 257
10.7. Turbina de gas de ciclo cerrado 258
Capítulo 11. Combustión y combustibles en turbinas de gas 265
11.1. El proceso de combustión 265
11.2. Aire teórico para la combustión (At) o mezcla estequiométrica 266
11.3. Combustión con exceso de aire. Productos de la combustión 267
11.4. Combustibles usados en motores de turbina de gas 271
11.5. Cámara de combustión o combustor para turbinas de ciclo abierto. Consumos específicos en función del rendimiento térmico 274
11.6. Módulo combustor-intercambiador para turbinas de ciclo cerrado 277
Capítulo 12. Tipos y características de operación de las turbinas de gas 281
12.1. Tipos de turbinas de gas 281
12.2. Turbinas de gas típicas 281
12.3. Análisis de una turbina de gas típica 282
12.4. Sistemas de regulación y control 291
12.5. Curvas características de operación con la regulación 295
Capítulo 13. Tendencias en el desarrollo de las turbinas de gas 303
13.1. Tendencias principales 303
13.2. Aumento de la potencia unitaria 303
13.3. Elevación de la temperatura T3 de entrada a la turbina. Materiales de construcción. Refrigeración de alabes 305
13.4. Reducción de depósitos, de la oxidación y de la corrosión 305
13.5. Incremento del rendimiento térmico 305
13.6. Aplicaciones de las turbinas de gas 307
13.7. Turbinas para aviación o para servicio industrial general. Costos 307
13.8. Turbinas de gas para automóviles 309
13.9. Motor de turbina de gas para autobuses y camiones 312
13.10. Tanques oruga con turbina de gas 317
IV. TURBINAS DE VAPOR
Capítulo 14. Principios teóricos de la turbina de vapor. Ciclos 321
14.1. Definición 321
14.2. Importancia de la turbina de vapor 321
14.3. El ciclo Rankine o ciclo básico de la turbina de vapor 322
14.4. Rendimiento térmico del ciclo Rankine 324
14.5. Formas de incrementar el rendimiento térmico del ciclo. Parámetros fundamentales 328
14.6. Influencia de la temperatura de entrada en la turbina. Sobrecalentamiento del vapor 328
14.7. Alta presión de entrada y escalonamiento de la expansión con recalentamiento intermedio 331
14.8. Presión de salida de la turbina o presión en el condensador 336
14.9. Ciclo de vapor con regeneración 337
14.10. Expansión real. Rendimiento interno de la turbina 341
14.11. Ciclo Rankine con fluidos diferentes del agua 347
14.12. Ciclo binario de vapor de mercurio y vapor de agua 348
14.13. Fluidos para bajas temperaturas operando en ciclo Rankine 355
Capítulo 15. Ciclo combinado de gas y de vapor 357
15.1. Definición y fundamentación 357
15.2. Ciclo combinado gas-vapor clásico, con o sin quemado de combustible en el recuperador 357
15.3. Ciclo combinado gas-vapor, con generador de gases y de vapor, simultáneo, con aire a presión 361
15.4. Ciclo combinado gas-vapor con generador de gases de lecho fluidizado 362
15.5. Ciclo combinado gas-vapor, con turbina de vapor a contrapresión 363
15.6. Rendimiento térmico global de las plantas de ciclo combinado y costos de instalación 366
Capítulo 16. Tipos y características de las turbinas de vapor 369
16.1. Tipos de turbinas de vapor 369
16.2. Turbinas de impulso 371
16.3. Turbinas de impulso con escalonamientos de velocidad tipo Curtis 372
16.4. Turbinas de impulso con escalonamientos de presión tipo Rateau 372
16.5. Turbinas de reacción 374
16.6. Alabes, rotores y estatores de turbinas de vapor. Balanceo de rotores. Sellos de laberinto 375
16.7. Número de escalonamientos. Coeficiente de presión 383
16.8. Velocidad periférica. Diámetro del rotor 388
16.9. Regulación y control 390
16.10. Turbinas de vapor radiales 395
Capítulo 17. Generación del vapor 401
17.1. Generación del vapor para la turbina 401
17.2. Potencia de calentamiento de una caldera. Rendimiento 401
17.3. Tipos de calderas. Contaminantes 401
17.4. Calderas de lecho fluidizado 404
17.5. Combustibles para calderas de vapor 405
17.6. Consumos específicos, rendimiento de planta, costos 406
17.7 Condensadores 408
Capítulo 18. Plantas nucleoeléctricas 411
18.1. La reacción nuclear como fuente de calor útil 411
18.2. Reactores nucleares. Tipos 413
18.3. Reactores de agua ligera, LWR. Ciclo del combustible 414
18.4. Reactores de agua pesada, HWR 418
18.5. Reactores de alta temperatura, HTR 419
18.6. Reactores autogeneradores o de cría, FBR 419
18.7. Programas de desarrollo de los FBR 424
18.8. Turbinas para plantas nucleoeléctricas 425
19.9. Costos de plantas nucleoeléctricas 432
Apéndice 433
Bibliografía 441 índice alfabético 447
Tablas de vapor 434
Diagrama de Mollier 440