PREDICCIÓNDEFLUJOENSELLOSDELABERINTODETURBOCOMPRESORES.

Presenta:GilbertoEfraínValleMeléndez.

Autores:GilbertoEfraínValleMeléndez.OscarDeSanIagoDuran.FernandoAboitesDávila.

INTRODUCCIÓN-ETU

INTRODUCCIÓN

En general cualquier caracterís0ca del flujo que reduzca la eficiencia de unaturbomáquina puede ser llamada pérdida. Dentón [2] clasifica las pérdidaspresentesenunaturbomáquinacomosedescribeacon0nuación:

•  Pérdidasenlapared(endwallloss)•  Pérdidasporfuga(leakageloss)•  Pérdidasporperfil(profileloss)

Elpresente trabajo seenfocaenelanálisisde laspérdidaspor fuga (leakeageloss). Las pérdidas por fuga están presentes inevitablemente en todas lasturbomáquinas, estas dependen de parámetros como la geometría de losdientes,numerodecavidades,diferencialdepresión, temperaturasy0posdegas,etc.

La correcta predicción y control de las pérdidas por fugas es crucial para elfuncionamientoeconómicoyeficientedelaturbomáquina.

COMPRESOR8BK37

Fabricante–TransamericaDelavalEtapas–8Fluidodetrabajo–GasNaturalPesoMol.–26.5Vel.Operación–8700rpmFlujoVolumétrico≈3400ACFMP.Entrada≈171psiaT.Entrada≈149°FP.Descarga≈1,186psiaT.Descarga≈339°F

COMPRESOR8BK37

SELLODEIMPULSOREINTER–ETAPA

CARACTERISTICAS•  Dientesenelimpulsor•  Sellodecuerpometálico•  InsertodeFLOUROSINT•  Insertoabrasible.

ANALISISDESELLODEIMPULSOREINTER–ETAPA

Se discre0za la geometríay asignan condiciones defrontera para realizarprediccionesnuméricasdeflujo.

CONDICIONESDEFRONTERAPARASELLODEIMPULSOREINTER–ETAPA

La F ig. Indica lanotación asignada acada sello, siendo Ipara definir Impulsory F para defin i rFlecha.

Sello I-1 I-2 I-3 I-4 I-5 I-6 I-7 I-8 F-1 F-2 F-3 F-4 F-5 F-6Pres.Ent(psia) 195.25 243.95 292.65 394.9 570.7 746.5 922.3 1098.1 219.6 268.3 482.8 658.6 834.4 1010.2

Pres.Sal(psia) 170.9 219.6 268.3 307 482.8 658.6 834.4 1010.2 195.3 244 394.9 570.7 746.5 922.3

Temp.Ent(°F) 270 310 350 180 220 260 300 340 270 310 180 220 260 300

Claro I-1 I-2 I-3 I-4 I-5 I-6 I-7 I-8 F-1 F-2 F-3 F-4 F-5 F-6Delaval(in) 0.009 0.009 0.009 0.009 0.009 0.009 0.009 0.009 0.008 0.008 0.008 0.008 0.008 0.008

CONTORNOSDEPRESIONSELLODEIMPULSOREINTERETAPA

SELLODEIMPULSOR SELLOINTERETAPA

CONTORNOSDEVELOCIDADSELLODEIMPULSOREINTERETAPA

SELLODEIMPULSOR SELLOINTERETAPA

RESULTADOSDESELLODEIMPULSOREINTERETAPAPresiónencavidades

SelloPresiónEnt.(psia) P1 P2 P3 P4 PresiónSal.(psia)

Flujomásico(kg/s)

Velocidad(m/s)

I-1 194 192 183 178 174 170 0.164 4.59I-2 243 235 231 227 222 218 0.167 46.61I-3 292 286 280 276 273 269 0.178 43.18I-4 390 361 347 332 318 308 0.435 33.75I-5 570 532 522 508 493 483 0.524 20.20I-6 747 714 705 691 677 659 0.585 76.76I-7 923 889 875 861 847 833 0.633 11.14I-8 1099 1066 1052 1037 1023 1009 0.681 23.48

Presiónencavidades

SelloPresiónEnt.(psia) P1 P2 P3 PresiónSal.(psia)Flujomásico

(kg/s)Velocidad(m/s)

F-1 219 206 200 195 195 0.1639361 4.17

F-2 268 254 249 244 243 0.1769754 3.86F-3 485 434 413 394 394 0.4797352 5.04F-4 658 609 589 567 567 0.5537444 4.37F-5 834 785 765 745 745 0.6129111 4.00F-6 1010 956 936 918 918 0.6913289 2.05

Determinacióndeclaromínimorecomendado

Generación depropuestas degeometrías.

Comparación de modelosdeprediccionesnuméricasymodelosteóricos.

1.Revisióndedimensionesy tolerancias de modelode sello actual (Sello deFLOUROSINT)

2 . R e v i s i ó n d er e p o r t e srotodinámicos parao b t e n c i ó n d edeflexiónmáxima.

Revisión de planos dec h u m a c e r a s p a r adeterminar claros deensamble.

Revisión de run-outpermisible.

Revisión deexcentricidadmáxima.

MetodologíadeDiseñodesellosdelaberinto

DIMENSIONAMIENTODESELLODEIMPULSOR

La Fig. Ilustra los parámetros del sello delaberinto: (Cr).-Claroradial, (B)Alturadediente,(L) separación entre dientes, (TIP) espesor dediente,(α)medioángulodeldientey(NT)númerodedientes.

DIMENSIONAMIENTODESELLODEIMPULSOR

ParadimensionarlossellossetomancomobaselosparámetrosdescritosporScharreryPelle0[1]:

1B L ≈

0.8Cr Tip ≈≥

DIMENSIONAMIENTODESELLODEIMPULSOR

CASO NT Tip(in) Tip(mm) Li(in) Li(mm) B(in) B(mm)1 4 0.025 0.6350 0.2063 5.2388 0.1856 4.7149

2 5 0.015 0.3810 0.1720 4.3688 0.1720 4.3688

3 5 0.025 0.6350 0.1600 4.0640 0.1600 4.0640

4 6 0.015 0.3810 0.1408 3.5772 0.1408 3.5772

5 6 0.025 0.6350 0.1292 3.2808 0.1292 3.2808

Entrandoconunclarodiametraldadoenpulgadas,ysiguiendolasreglasanteriores,sedefinenlossiguientescasos:

Conestamatrizdedimensionamientosellevanacabolossiguientespaso:

1)SeobIenenlosflujosmásicosanalíIcos(porecuación)delosdiferentessellos.

2)SegeneranlasgeometríasparaserdicreIzadasyanalizadasmediantedinámicadefluidoscomputacional(CFD).

MODELOANALITICO

Cfcoeficientedeenergíaciné0ca“trasladada”–representalacontraccióndelfluidodespuésdepasarporunarestricción.

U0lizandoelmodelodeNeuman–Childs[3]sepuedeobtenerlafugaylascaídasdepresiónenlascavidades

DIMENSIONAMIENTODESELLODEIMPULSOR

CASO NT--No. Tip(in) Li(in) B(in) m(kg/s)1 4 0.025 0.2063 0.1856 0.1691

2 5 0.015 0.1720 0.1720 0.1669

3 5 0.025 0.1600 0.1600 0.1699

4 6 0.015 0.1408 0.1408 0.1679

5 6 0.025 0.1292 0.1292 0.1720

D!

TeóricoCHILDS

Tent405.5K=132.35°C

Pin1.346MPa=195.25psi

Pout1.178MPa=170.9psi

MODELADODESELLODEIMPULSOR–DS

Aproximadamente28000Elementosrectangulares–Calidadde0.9enmasdel85%

*DS:Dientedesierra.

RESULTADOSDESELLO1erIMPULSOR

CONTORNOSDEVELOCIDADcaso2

CONTORNOSDEPRESIÓNcaso2Pin1.346MPaPout1.178MPa(170.9PSI)

(195.25PSI)

m/s

RESULTADOSDESELLODE1erIMPULSOR

K

VECTORESDEVELOCIDADcaso2

CONTORNOSDETEMPERATURAScaso2

RESULTADOFLUJOMÁSICONUMERICODESELLODEIMPULSORES

La Tabla muestra la comparación de los resultados del modelo teórico ynumérico.

CASO NT m(kg/s) m(kg/s) m(kg/s) m(kg/s)1 4 0.1653 0.1806 0.1933 0.4560

2 5 0.1546 0.1689 0.1808 0.4271

3 5 0.1583 0.1730 0.1853 0.4379

PinPoutTent

CASO NT m(kg/s) m(kg/s) m(kg/s) m(kg/s)1 4 0.5456 0.6147 0.6708 0.7175

2 5 0.5105 0.5748 0.6270 0.6705

3 5 0.5241 0.5906 0.6444 0.6894

PinPoutTent

0.47710.47040.4790

0.62530.6367

0.56550.55790.5680

0.72570.7388

0.68910.68000.6924

m(kg/s) m(kg/s) m(kg/s) m(kg/s)

m(kg/s) m(kg/s) m(kg/s) m(kg/s)0.73520.6338

0.16910.16690.1699

0.18510.18260.1859

0.19830.19570.1993

3.934Mpa(570.7psi) 5.147Mpa(746.5psi) 6.359Mpa(922.3psi) 7.571(1098.1psi)3.328Mpa(482.8psi) 4.541Mpa(658.6psi) 5.753Mpa(834.4psi) 6.9653Mpa(1010.2psi)377.55K(104.4°C) 399.75K(126.6°C) 421.95K(148.8°C) 444.25K(82.2°C)

D5 D6 D7 D8NuméricoD.Si+D

NuméricoD.Si+D

NuméricoD.Si+D

NuméricoD.Si+D

TeóricoCHILDS TeóricoCHILDS TeóricoCHILDS TeóricoCHILDS

1.346Mpa(195.25psi) 1.681Mpa(243.95psi) 2.017Mpa(292.65psi) 2.722(394.9psi)1.178Mpa(170.9psi) 1.514Mpa(219.6psi) 1.849Mpa(268.3psi) 2.116Mpa(307psi)405.5K(132.35°C) 427.85K(177°C) 450.15K(177°C) 355.5K(82.2°C)

D1 D2 D3 D4NuméricoD.Si+D

NuméricoD.Si+D

NuméricoD.Si+D

NuméricoD.Si+D

TeóricoCHILDS TeóricoCHILDS TeóricoCHILDS TeóricoCHILDS

OBSERVACIONESDEDISEÑODESELLODEIMPULSOR

•  El Claro es el parámetroquemayor injerenciaIene sobre la fuga; sin embargo, parámetroscomolaaltura,anchoyaltoynumerodedientescoadyuvanenladisminucióndelamisma.

•  Los sellos de dientes de sierra permiten menor canIdad de dientes y por ende cavidades,debidoaestolasconfiguracionesde6dientesquedandescartadas.

•  Entremayorseanlosesfuerzoscortantesdelfluidoproductodesuinteracciónconlasparedesdelsello,implicaráelincrementodelasfuerzasdearrastreylaspérdidasporcalorobteniendocomoresultadoladisminucióndelafuga.

•  De acuerdo a los resultados se seleccionó el dimensionamiento que mas se apegue a losparámetrosdemanufacturayalespaciodisponible.

•  La configuración del caso 2muestra elmenor flujo de fuga uIlizando elmodelo teórico deChilds.

CONCLUSIONESDEDISEÑODESELLODEIMPULSOR

•  Tomando en cuenta los criterios de dimensionamiento ymanufactura se recomiendau0lizar la configuracióndel caso 2presentaelmenorflujodefugadeacuerdoalmodeloteóricodeChilds y es consistente con el modelo numérico y los otrosmodelosteóricos.

•  La configuración del caso 2 presenta una mejoría deaproximadamente 5.75 % y 1% con respecto al diseño deFlourosintdeacuerdoalosresultadosnuméricos.

REFERENCIAS.

[1] J. Scharrer; J. Pelle0; “Leakage and Rotordynamic Effects ofCompressible Annular Seal”; Proceedings of the Twenty-FourthTurbomachanery.[2] J. Denton; “LossMechanisms in Turbomachines”; ASME 1993Interna0onalGasTurbineandAeroengineCongressandExposi0on.[3] D. Childs; “Turbomachinery Rotordynamic Phenomena,Modeling,&analysis”;WileyInter-Science;1993.

Graciasporsu

atención