Desarrollo de un módulo de diseño y análisis de turbocompresores centrífugos para su integración en una herramienta de simulación de microturbinas de gas

Abstract

El enfoque general de este trabajo consiste en el desarrollo de una herramienta computacional, integrable en orta herramienta global de simulación de microturbinas de gas, que permita realizar tanto el prediseño de un turbocompresor centrífugo como la posterior evaluación de prestaciones en condiciones nominales y en operación fuera de diseño. Por ello, el modelado de la herramienta está desarrollado teniendo presente que el turbocompresor está ensamblado en un eje solidario con la turbina centrípeta y, por consiguiente, que las condiciones de diseño no son libres sino que están sujetas a los parámetros de diseño de la mencionada turbina así como del propio ciclo de trabajo del motor. En este trabajo se presentan diferentes mapas de comportamiento del turbocompresor centrífugo para diferentes diseños de la máquina, los cuales son analizados con el fin observar las diferentes tendencias tanto de los parámetros de diseño seleccionados para el compresor como de los elementos incorporados en el mismo. La principal innovación con respecto a otro trabajos previos realizados en el Grupo de Máquinas y Motores Térmicos de Sevilla es, además de la capacidad de integración en la herramienta completa de simulación de turbinas de gas, la incorporación de álabes guía de geometría variable a la entrada del compresor, provocando que en condiciones fuera de diseño, el rango de operación de la microturbina sea mayor. Este dispositivo también permite mejorar el rendimiento del compresor en operación fuera de diseño. El objetivo tanto del módulo de diseño y análisis de turbocompresores como de la herramienta de simulación completa no es otorgar un diseño definitivo de la máquina, sino un diseño preliminar, con su correspondiente análisis en condiciones de carga parcial, que permita facilitar y acotar la región de interés de diseño, reduciendo en la medida de lo posible tanto la fase experimental, que es sin duda la fase más costosa del proceso de diseño de una turbomáquina, como de la fase de simulación con Softwares más detallados (y con gran coste computacional) como las herramientas CFD.

The general aim and scope of this work is the development of a computational tool for the one-dimensional design and performance analysis of centrifugal compressors for the future integrationinto another global micro gas turbine simulation platform. Thus, the programming has been developed taking into account that the compressor is assembled on a single shaft along with the turbine and, furthermore, the design conditions are set by the mentioned turbine and by the working cycle requirements. In this work, many different compressor performance maps are shown for different designs of the centrifugal compressor, which are analysed in order to observe the different trends of the selected design parameters for the compressor as well as the components assembled in the compressor. The main innovation with respect to previous works carried out by the Thermal Power Group (GMTS) of University of Seville is, apart from the adaptation capacity into the global simulation platform, the integration of variable inlet guide vanes in the compressor. This enables an increase of the operating range of the micro gas turbine when the compressor operates in off-design conditions. This device also improves the compressor efficiency in off-design performance. The aim of both compressor design and analysis modules is not to provide a final and definitive compressor design but to provide a preliminary design along with the off-design performance maps.