Simulación de turbinas axiales operando fuera de diseño con diferentes gases en condiciones de semejanza dinámica

Abstract

Este trabajo parte de un programa previo para el diseño de turbinas axiales y lo utiliza para establecer un sistema de comparación entre turbinas que operan en condiciones de semejanza dinámica con diferentes gases fuera de diseño.
Tanto el programa existente como el que se desarrolla en este trabajo, están implementados en MATLAB. Además, se utilizará una librería para el cálculo de las propiedades termodinámicas de los fluidos que se integra en este software. Si bien en el proyecto anterior ya se había introducido la librería REFPROP, se decide implementar y llevar a cabo este trabajo utilizando otra librería llamada CoolProp, de acceso libre y disponible para cualquier sistema operativo.
Adicionalmente al desarrollo del objetivo principal introducido en el primer párrafo, se implementa un programa de prediseño de la turbina, de forma que tan sólo sea necesario introducir unos pocos parámetros de entrada para poder diseñar posteriormente la turbina. Y es que en el programa previo, para poder diseñar la turbina, era necesario introducir una serie de inputs a priori desconocidos, evitando así tener que tantear estos valores y comprobar una vez diseñada la turbina si los resultados obtenidos son los deseados.
Se expondrán los modelos matemáticos que se han implementado en los diversos programas de prediseño, diseño de la turbina y semejanza entre turbinas, así como todas las simplificaciones e hipótesis tomadas, que se verificarán a posteriori. Cabe destacar que para calcular las pérdidas de la turbina se han utilizado las correlaciones de Ainley y Mathieson.
En concreto, se establece como turbina de referencia una turbina de aire de 10MW de potencia interna cuyo gas se expande hasta la presión atmosférica. A partir de ella, se diseñan turbinas semejantes de la misma potencia que trabajan con diferentes gases: CO2, propano e isobutano. Aunque el programa acepta cualquiera de los 122 fluidos contenidos en CoolProp, el estudio del presente trabajo se centrará en estos cuatro gases.
Una vez diseñadas las turbinas, se generarán las curvas características y curvas de rendimiento-potencia para observar y comparar sus comportamientos fuera de diseño. De este modo, se analizará cómo varía el rendimiento de las turbinas semejantes al trabajar a carga parcial, así como su rango de operación.
Toda esta sistemática de comparación de turbinas semejantes, que empieza por el prediseño de la turbina de referencia y termina con la obtención de las curvas características de las turbinas semejantes, se lleva a cabo en un Live Script de MATLAB que cumple la doble función de servir de interfaz entre el código y el usuario a la vez que organiza y estructura por secciones el proceso.