1. INTRODUCCIÓN La necesidad de obtener energía aprovechable del modo más eficiente ha sido, en gran medida una directriz para la humanidad desde el comienzo de la revolución industrial. Muchos procesos patentados en norte América y Europa con esta finalidad permitieron satisfacer esa necesidad. Así, fueron diseñadas y fabricadas máquinas basadas en diversos principios y métodos, entre ellas las máquinas térmicas representaron unas de las tantas soluciones a este problema. Pero fue en el año de 1872 cuando George Brayton solicitó una patente para su motor listo, el cual utilizó un compresor y un ampliador separados del pistón. El funcionamiento consistía en comprimir el aire calentado por el fuego interno, para luego introducirlo en el cilindro del ampliador y así sucesivamente. De aquí surgió el llamado ciclo de Brayton, cuyo término hoy se asocia generalmente, a la turbina de gas. Es por lo anterior, que es importante para el ingeniero mecánico conocer profundamente los conceptos y principios que rigen el funcionamiento de las turbinas de gas. Por cuanto lo más seguro, que en su futuro trabajo se encontrará con el uso y mantenimiento de este tipo de equipos. De aquí, la necesidad de conocer a profundidad, desde el punto de vista teórico y práctico sobre estas máquinas de combustión. 1.1. Concepto de Turbina a gas Es una turbomáquina motora, cuyo fluido de trabajo es un gas. Como la compresibilidad de los gases no puede ser despreciada, las turbinas a gas son turbomáquinas térmicas. Comúnmente se habla de las turbinas a gas por separado de las turbinas porque, aunque funcionan con sustancias en estado gaseoso, sus características de diseño son diferentes y si se considera, que al tratarse de este tipo de fluidos, no ocurriría una transformación de fase, en cambio cuando se habla de vapores sí [3]. Las turbinas de gas son usadas en los ciclos de potencia como el ciclo Brayton y en algunos ciclos de refrigeración. 1.2 Principio de Funcionamiento Turbina a gas simple Una turbina de gas simple está compuesta de tres secciones principales: un compresor, un quemador y una turbina de potencia. Las turbinas de gas operan en base en el principio del 1
ciclo Brayton, en donde aire comprimido es mezclado con combustible y quemado bajo condiciones de presión constante. El gas caliente producido por la combustión se le permite expandirse a través de la turbina y hacerla girar para llevar a cabo trabajo. En una turbina de gas con una eficiencia del 33%, aproximadamente 2/3 del trabajo producido se usa para comprimir el aire. El otro 1/3 está disponible para generar electricidad, impulsar un dispositivo mecánico, etc. [1]. 1.3 Ventajas de la turbina a gas
Muy buena relación potencia vs. Peso y tamaño.
Bajo costo de instalación.
Rápida puesta en servicio.
Es una máquina rotante (no tiene movimientos complejos como son los movimientos roto alternativos de los motores de combustión interna).
Al ser una máquina rotante el equilibrado de la misma es prácticamente perfecto y simple, a diferencia de máquinas con movimiento alternativos.
Menos piezas en movimiento (comparado con los motores de combustión interna).
Menores pérdidas por rozamiento al tener menores piezas en movimiento.
Sistema de lubricación más simple por lo expresado anteriormente.
Bajas presiones de trabajo (es la máquina térmica que funciona a más baja presiones)
El proceso de combustión es continuo y se realiza a presión constante en la cámara de combustión (diferente a los motores de combustión interna)
Pocos elementos componentes: compresor, cámara/s de combustión y turbina propiamente dicha.
No necesitan agua (diferente a las turbinas a vapor que requieren de un condensador).
Permiten emplear diferentes tipos de combustibles como kerosene, gasoil, gas natural, carbón pulverizado, siempre que los gases de combustión no corroan los álabes o se depositen en ellos.
El par motor es uniforme y continuo. 2
1.4 Desventajas de la turbina a gas Bajo rendimiento térmico (alto consumo específico de combustible) debido a:
Alta pérdida de calor al ambiente que se traduce por la alta temperatura de salida de los gases de escape por chimenea, entre 495ºC a 560 ºC.
Gran parte de la potencia generada por la turbina es demandada por el compresor axial, en el orden de las ¾ partes, o sea un 75% de la potencia total de la turbina.
1.5 Clasificación de las turbinas a gas Las turbinas a gas, al igual que las turbinas a vapor, se clasifican en:
Turbinas a gas de acción
Turbinas a gas de reacción
En las turbinas de acción la caída total de presión de los gases de combustión se produce en las toberas que están ubicadas antes del/los estadios móviles y fijos de la misma. De esta manera se produce una transformación de energía de presión a energía de velocidad (energía cinética) en los gases.
La presión de los gases dentro de la turbina, estadios móviles y fijos, permanece constante.
En las turbinas de reacción, en cambio, la caída de presión de los gases de combustión se produce tanto en las toberas, como en los estadios móviles y fijos que componen la misma. La presión de los gases dentro de la turbina, estadios móviles y fijos, va disminuyendo.
También las turbinas a gas se clasifican de acuerdo al número de estadios móviles, en cuyo caso pueden ser: 3
Turbinas a gas mono etapa (un solo estadio móvil).
Turbinas a gas multi etapas (varios estadios móviles).
Igualmente cabe otra clasificación, la cual está en función del número de ejes de la turbina, pudiendo en este aspecto clasificarlas como:
Turbinas a gas de un solo eje
Turbinas a gas de dos ejes
1.6 Ciclo de la turbina de gas
FIGURA 1.1 Turbina de gas de ciclo abierto
FIGURA 1.2 Turbina de gas de ciclo cerrado
El ciclo de turbina de gas abierto puede modelarse como un ciclo cerrado, como se indica en la Figura. 1.2 empleando las suposiciones de aire estándar. En este caso los procesos de compresión y expansión permanecen iguales, pero el proceso de combustión se sustituye por uno de adición de calor a presión constante desde una fuente externa. Mientras que el proceso de escape de reemplaza por otro de rechazo de calor a presión constante hacia el aire ambiente. El ciclo ideal que el fluido de trabajo experimenta en este ciclo cerrado es el ciclo Brayton, el cual está integrado por cuatro procesos internamente reversibles: 4
1-2 Compresión isotrópica (en un compresor) 2-3 Adición de calor a presión constante 3-4 Expansión isotrópica (en una turbina) 4-1 Rechazo de calor a presión constante. Los diagramas de T-S y P-V de un ciclo Brayton ideal se muestran en la Fig. 1.3. Observe que los cuatro procesos del ciclo Brayton se ejecutan en dispositivos de flujo estacionario, por lo tanto deben analizarse como procesos de flujo estacionario. Cuando los cambios en las energías cinética y potencial son insignificantes, el balance de energía para un proceso de flujo estacionario puede expresarse, por unidad de masa, como: (
)
(
)
(1.1)
Por lo tanto, la transferencia de calor hacia y desde el fluido de trabajo es: (
)
(1.2)
y, (
)
(1.3)
Entonces, la eficiencia térmica del ciclo Brayton ideal bajo las suposiciones de aire estándar frío se convierte en:
( (
) )
(
)
(
)
Los procesos 1-2 y 3-4 son isoentrópicos, por lo que P2 = P3 y P4 = P1. Por lo tanto, (
( )
)
(
)
( )
5
Al sustituir estas ecuaciones en la relación de eficiencia térmica y al simplificar, se obtiene que:
(
)
(1.4)
Donde:
Es la relación de presión y k la relación de calores específicos. En la Ec. (1.4) se muestra que las suposiciones de aire estándar frio la eficiencia térmica de un ciclo Brayton ideal depende de la relación de presión de la turbina de gas y de la relación de calores específicos del fluido de trabajo. La eficiencia térmica aumenta con ambos parámetros, que también es el caso para las turbinas de gases reales.
La temperatura más alta en el ciclo ocurre al final del proceso de combustión (estado 3) y está limitada por la temperatura máxima que los alabes de la turbina pueden resistir. Esto también limita las relaciones de presión que pueden utilizarse en el ciclo. Para una temperatura de entrada fija de la turbina T3, la salida de trabajo neto por ciclo aumenta con la relación de presiones, alcanza un máximo y después empieza a disminuir. Por lo tanto, debe haber un compromiso entre la relación de presión (por consiguiente la eficiencia térmica) y la salida de trabajo neto. Con una menor salida de trabajo por ciclo se necesita una tasa de flujo másico más grande (y de este modo un sistema mayor) para mantener la misma salida de potencia, lo cual no puede ser económico. En muchos diseños comunes la relación de presión de turbinas de gas varía de 11 a 16.
6
FIGURA 1.3 Diagrama T-s y P-v para un Ciclo Brayton Ideal
Existe una cierta dificultad de conseguir materiales que soporten temperaturas elevadas, al tiempo que mantienen unas determinadas características técnicas. 1.7 Parámetros termodinámicos de funcionamiento A continuación se indican los valores reales aproximados de funcionamiento de una turbina a gas ciclo simple. TABLA 1.1 Parámetros termodinámicos de funcionamiento PARÁMETROS DE FUNCIONAMIENTO
TEMPERATURA
PRESIÓN
(°C)
(kg/cm2)
Aire entrada compresor axial (punto 1)
15
1
Aire salida compresor axial (punto 1)
316
10
Relación de compresión
-------
10/1
Gases de combustión entrada turbina (punto 3)
1.100
10
Gases de combustión entrada turbina (punto 3)
495 a 560
1
7
1.7.1 Compresor de aire Los compresores utilizados en las turbinas a gas son del tipo giratorio, pudiendo ser:
Compresores centrífugos.
Compresores axiales.
Compresores axiales.
En el compresor axial, como su nombre lo indica, el flujo de aire es axial, o sea paralelo al eje del mismo.
El rotor del compresor axial está formado por varias ruedas móviles donde los alabes están montados en discos, tal como se observa en el esquema de la Figura. 1.4
Las ruedas están ensambladas entre sí mediante tornillos guías axiales que permiten el apriete correspondiente, formando de esta manera el rotor del compresor axial.
Entre cada estadio móvil del rotor se ubica un estadio fijo del estator, o sea que en la dirección del eje del compresor se suceden alternativamente un estadio.
FIGURA 1.4 Rotor de un compresor axial
La compresión del aire se produce al pasar éste a través de un estadio fijo y uno móvil, por lo tanto el compresor está formado por un gran número de escalonamientos de compresión.
8
Como en el caso de las turbinas a gas, o a vapor, los compresores axiales pueden ser:
Compresores axiales de acción.
Compresores axiales de reacción.
La relación de compresión está dada por el cociente entre la presión de salida del aire del compresor y la presión a su entrada:
(1.5) Donde:
P2= presión de salida
P1=presión de entrada
1.8 Sistema de combustión El sistema de combustión provisto en las turbinas a gas puede ser de dos tipos:
Turbinas a gas monocámara.
Turbinas a gas multicámaras.
1.8.1 Las turbinas con diseño monocámaras, como es el caso del fabricante Asea Brown Boveri (ABB), la cámara se ubica en posición perpendicular al eje de la máquina. 1.8.2 En el caso de las turbinas multicámaras, diseño General Electric (GE), las cámaras se ubican en forma concéntricas (paralelas) al eje de la máquina Las cámaras de combustión de las turbinas a gas han sido objetos de permanentes desarrollos a fin de lograr una eficiente combustión y por otro lado asegurar bajas emisiones contaminantes, especialmente en contenidos de óxidos de nitrógeno (NO y NO2) En la cámara de combustión se produce la oxidación del combustible desarrollándose muy altas temperaturas, por arriba de los 3.000 ºF. Entre las funciones esenciales que debe obtenerse en la cámara de combustión se puede mencionar: 9
Estabilizar la llama dentro de una corriente de gases que se encuentran a alta velocidad, de manera que ésta se mantenga estable.
Asegurar una corriente de gases continua hacia la turbina
Mantener una temperatura constante de los gases de combustión que ingresan a la misma.
Lograr la máxima eficiencia de combustión, es decir producir la menor cantidad de inquemados: CO; CH y MP (material articulado u hollín)
La caída de presión dentro de la cámara debe ser la menor posible a fin de minimizar las caídas de presión entre el compresor axial y la turbina.
El sistema de combustión está formado por: Bujías de encendido. Tubos pasa llama. Detectores de llama. Normalmente se instalan dos bujías y dos detectores de llama. En el caso de turbinas a gas multicámaras el encendido se produce en una de las cámaras de combustión creando un aumento de presión dentro de ella, forzando a los gases calientes que se producen a pasar a través de los tubos pasa llama al resto de las cámaras, propagando de esta manera la ignición en todas ellas en un tiempo no mayor a 2 segundos. Los detectores de llama, ubicados diametralmente opuestos a las bujías, constituyen el sistema de detección de llama, emitiendo una señal de control cuando el proceso de ignición ha sido completado.
10
La Figura.1.5 indica un esquema de una cámara de combustión diseño del fabricante General Electric (GE), donde se observa: a) el ingreso del aire para la combustión, b) el aire para refrigeración del material con que está construido el tubo de llamas, normalmente de acero inoxidable y c) el aire de dilución que al incorporarse a la corriente de gases calientes de la combustión reducen su temperatura al valor para el cual han sido seleccionados los materiales del primer estadio de toberas fijas
FIGURA 1.5 Cámara de combustión diseño del fabricante General Electric (Cortesía de General Electric Co.)
11
2. OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GENERAL Realizar un estudio de los parámetros termodinámicos y operacionales de la turbina de gas al variar la carga, manteniendo la velocidad constante.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Identificar los diferentes componentes de una turbina de gas. 2. Conocer las características de una turbina de gas y la instrumentación necesaria para su operación. 3. Evaluar experimentalmente el comportamiento de la turbina al variar la carga a velocidad constante.
12
3. MATERIALES Y EQUIPOS UTILIZADOS 3.1 Materiales
Peso muerto: 25 lbs.
Diesel.
Aire.
3.2 Equipos Utilizados
Banco de prueba: Turbina de Gas.
Tablero de control integrado por: a) Indicador de presión a la entrada del compresor Apreciación: ± 1 lbf/in2 ± 0.05 kg/cm2 Capacidad: 20 lbf/in2 1.5 kg/cm2 b) Indicador de presión a la salida del compresor Apreciación: ± 0.1 kg/cm2 ± 2 lbf/in2 Capacidad: 4 kg/cm2 60 lbf/in2 c) Indicador de temperatura del aire a la salida del compresor Apreciación: ± 5 °C Capacidad: 300 °C d) Manómetros diferenciales a. Depresión del Venturi: (Kerosene) Apreciación: ± 0.1 in ó ± 0.2 cm b. Presión de los gases de escape de la turbina: (Kerosene) Apreciación: ± 0.1 in ± 0.2 cm c. Depresión en la cámara de combustión: (Mercurio) Apreciación: ± 0.1 in ± 0.2 cm 13
e) Termómetro a la entrada del Venturi Apreciación: ± 1 °C Rango: -35 hasta 50 °C
Dinamómetro o freno Marca: Heenan & Froude LTD Worcester England. Apreciación: ± 0.2 lbs. Rango: 0 - 50 lbs.
Tacómetro Apreciación: 100 rpm Capacidad: 5000 rpm
Caudalímetro Apreciación: 1Lts
Medidor de presión de aceite Apreciación: 5 psi Capacidad: 80 psi
Medidor de temperatura de aceite Apreciación: 10°C Rango: (30 – 120) °C
14
4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Para el arranque de la turbina
1. Asegurarse que el depósito de combustible este lleno. 2. Abrir la llave de paso que comunica el tanque con el cilindro graduado de vidrio y esperar que el tanque se llene de combustible. 3. Abrir la válvula que se encuentra en la parte inferior derecha del tablero de control, lo que permite el paso de combustible hacia la turbina. 4. Verificar que el lubricante del cráter de la turbina este en los límites recomendados. Que este a la altura exacta de la marca superior de la varilla de aceite, si es necesario completar con el aceite del grado y especificaciones recomendadas. 5. Retirar las tapas o capuchas protectoras de la entrada del aerómetro y del tubo de escape. 6. Asegurarse que no haya carga aplicada al freno hidráulico. Para esto girar la manivela de carga del freno en sentido anti horario hasta llegar al tope, en esta posición el freno está totalmente descargado. 7. Verificar que la válvula de desahogo del compresor de la turbina este totalmente cerrada. Nota: Si la válvula está abierta la turbina no alcanza la presión necesaria en el compresor para estabilizarse. 8. Abrir las llaves de paso del freno hidráulico de entrada y salida completamente. 9. Abrir la válvula que suministra el agua al enfriador de aceite de la turbina y controlar el flujo. 10. Asegurarse que la presión en la tubería de agua sea igual o superior a 15 psi (1,05 kgf/cm2).
15
11. Conectar bornes positivo y negativo de la batería de alimentación. 12. Encender en el panel de control, pirómetro digital en el switch principal al lado del pirómetro y el switch secundario para la alarma de seguridad por exceso de temperatura del escape. 13. Colocar los interruptores de la caja de control “DRY CICLE” (ciclo seco) y “WET CICLE” (ciclo húmedo) en la posición “RUN” (marcha). “IGNITION INSTRUMENTAL” en la posición “ON” (encendido). 14. Girar la llave del interruptor de encendido en sentido horario hasta la posición “ON” (encendido) luego seguir el giro hasta la posición “START” (arranque); inmediatamente que el motor de arranque comience a funcionar, soltar la llave, la cual regresara hasta la posición “ON” (encendido). El motor continuara funcionando hasta que la turbina genere su propia energía para funcionar, luego de esto el motor de arranque se desconecta automáticamente. 15. Si la turbina no enciende después de 30 segundos, girar la llave hacia la posición “OFF” (apagado). Bajo ninguna circunstancia intente encender de nuevo la turbina hasta que el rotor este completamente parado, de lo contrario el mismo puede causar severos daños. Espere 10 minutos antes de hacer otro intento, ya que el combustible acumulado en la cámara de aire principal puede causar una explosión en el encendido, lo cual va en detrimento de los componentes del equipo; es necesario esperar a que se escurra el combustible por la válvula de drenaje. 16. Nunca debe hacerse girar la turbina a más de 46.000 ± 3.000 rpm ó 3.000 ± 20 rpm indicadas en el tacómetro del freno hidráulico. 17. La válvula de salida del agua en el dinamómetro debe ser ajustada para que cuando funcione a plena carga la misma abandone el dinamómetro a 60 °C ó a una temperatura inferior; la válvula de entrada debe por supuesto permanecer completamente abierta.
16
Para apagar la turbina 1.
Retirar la carga del freno, girando la manivela de la carga en sentido antihorario, hasta llegar al tope. Advertencia: Podrían ocurrir daños en el rotor de la turbina si esta instrucción no es observada.
2.
Girar la llave del interruptor hacia la posición “OFF” (apagado).
3.
Abrir la válvula de desahogo del compresor de la turbina para que ayude a detenerse, después de detenido volver a cerrarla para que no entre ningún objeto extraño que pueda ocasionar daños.
4.
Cuando la turbina está completamente detenida, cerrar la válvula de suministro de combustible del tablero y la válvula que se encuentra debajo del mismo.
5.
Pasar todos los switches de los ciclos “DRY”, “WET” (seco y húmedo), y el de ayuda de “IGNITION” (encendido) a la posición “OFF” (apagado).
6.
Cerrar la válvula de suministro y salida de agua del freno y esperar que se enfrié la turbina en un lapso de 3mín para cerrar la válvula de suministro del agua.
7.
Reponer capucha protectora en la entrada del tubo medidor venturi de aire y esperar a que el ducto de aire se enfríe para colocar igualmente el protector en la punta de dicho ducto.
Advertencia: Es sumamente importante colocar los protectores al ducto de admisión de aire y al tubo de escape para evitar la entrada de cualquier objeto extraño o animal al interior de la misma. Esto puede ocasionar daños considerables al equipo al ponerlo en funcionamiento.
17
5. RESULTADOS Tabla 5.1. Datos Experimentales Carga aplicad a (Lbs)
Temp. Entrada venturi
Depresión venturi (cm kerosene)
Temp. Salida compresor
Presión de salida compresor (psi)
35 45 55 65
31 31 31 31
23,5 23,3 21,8 20,5
168 171 170 170
20 20 20 20
Presión entrada compresor (psi) 8 8 8 8
Tabla 5.2. Continuación de datos Experimentales. Carga aplicada (Lbs) 35 45 55 65
Depresión de cámara (cm hg) 6,9 6,5 5,4 5,8
Presión de escape (pulgKerosene) 6,7 7,3 6,6 5,9
Temp. Escape
tiempo de consumo de 1 lt de combustible
463 478 510 548
1,48 1,35 1,3 1,24
18
Tabla 5.3 Parámetros característicos obtenidos de la turbina a gas analizada. Carga aplicada
Parámetro de
Potencia al
Flujo
Flujo
Relación aire
(Lbs)
velocidad de
freno
másico del
combustible
combustible
compresor
(BKW) (KW)
aire (Lb/s)
(Lb/s)
35
74,9272
17,3964
1,40604257
0,0169429
82,98712396
45
74,9272
22,3668
1,40604257
0,01926140
72,99793311
55
74,9272
27,3372
1,32864573
0,02033148
65,34918783
65
74,9272
32,3076
1,28994731
0,02178372
59,21609253
Tabla 5.4 Continuación de parámetros característicos de la turbina a gas analizada.
Carga
Relación de
Relación de
Eficiencia
aplicada
compresión
expansión
del
(Lbs)
Eficiencia de Eficiencia de la turbina
Rendimiento
Combustión
térmico (%)
compresor
35
2,448254096
2,256890617 0,712195122 0,650939108 0,623350948
5,389590361
45
2,448254096
2,255668163 0,712195122 0,625667547 0,615821471
6,095370052
55
2,446743935
2,254059833 0,679069767 0,634881135
0,61384635
7,057796902
65
2,445570654
2,244707442 0,663636364 0,638989409 0,601388334
7,784963855
19
Tabla 5.5 Continuación de parámetros característicos de la turbina a gas analizada.
Carga
Rendimiento ideal
Relación de
Relación de
Consumo
Par Motor
aplicada
del ciclo
Temperaturas
Trabajos
especifico de
(Lbs)
(%)
35
0,226006192
0,336283186
0,106504232
1,590367356
5,713312166
45
0,226006192
0,315352697
0,12827273
1,406219557
7,345687071
55
0,226006192
0,297455969
0,150149419
1,214462344
8,978061975
65
0,226006192
0,284377923
0,170969662
1,101023554
10,61043688
Combustible
Tabla 5.6 Datos obtenidos del balance Térmico de la turbina de gas analizada.
Carga
Energía de combustible
Energía útil
Perdida por
Perdida por
aplicada
(Kj/min)
(Kj/min)
fricción
transferencia de calor
(Kj/min)
(Kj/min)
(Lbs) 35
19366,66672
1043,784
228,14136
-1765,884536
45
22016,84217
1342,008
228,14136
-74,81169436
55
23240,00006
1640,232
228,14136
647,4797123
65
24900,00007
1938,456
228,14136
1076,884679
20
80 Flujo masico de aire (Lb/s) 70 Flujo masico de Combustible (Lb/s)
50
Consumo Específico de Combustible
30
40
50
60
Eficiencia del Compresor (%) Eficiencia de la Turbina (%)
20
Eficiencia de Combustión (%)
10
Redimiento termico (%)
0 30
Eficiencia (%)
60
40
70
Exigencias de Carga (Lbs)
Rendimiento del Ciclo Ideal (%)
Figura 5.1. Comportamiento de parámetros de estudio en la turbina a gas.
(Kw)
(lb/s)
1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
35
12
30
10
25
8
20 6 15 4
10 5
2
0
0 35
45
55
Potencia al Freno (Kw) Par Motor (Kg.m)
65
Exigencias de carga (Lbs)
Figura 5.2. Representación de la variación de potencia con respecto al par motor.
21
6. ANALISIS DE RESULTADOS
En la TABLA 5.1 se pudo observar que a medida que se fué aumentando la carga a la turbina, la temperatura de entrada en el tubo venturi, la presión de salida y la presión de entrada en el compresor del sistema se mantuvieron constantes, ya que la turbina trabajó a una velocidad constante, siendo sus valores 31°C, 20 psi y 8 psi respectivamente. Seguidamente en la TABLA 5.2 al igual que en la anterior, a medida que se fué aumentando la carga de la turbina el tiempo en consumir 1 l de combustible fué disminuyendo en el sistema. Luego en la TABLA 5.3 a la 5.5se anotaron los diferentes parámetros termodinámicos y operacionales de la turbina de gas obtenidos de los cálculos correspondientes, en donde se pudo observar que algunas variables se mantuvieron constantes y otras variaron de acuerdo con el aumento de la carga al sistema, para luego ser graficadas las curvas de los parámetros obtenidos con respecto al aumento de carga. Así como también para la TABLA 5.6
Para un mayor entendimiento se describirán a continuación las gráficas obtenidas: La FIGURA 5.1 presenta una serie de curvas, donde se representa la relación de todas las eficiencias relacionadas al funcionamiento de la turbina de gas con respecto a la carga aplicada. Analizando detalladamente cada una de las curvas que se presentan, se tiene por ejemplo un comportamiento casi constante en la eficiencia de combustión presentando un pequeño decremento, dicho comportamiento es irregular a que ya que generalmente al mayor consumo de combustible, producto del aumento de las exigencias de carga la eficiencia de la combustión debería aumentar, este comportamiento es el esperado debido a que a mayor carga aplicada existe una mayor potencia en la máquina, lo que produce un aumento de la temperatura en la cámara de combustión, con lo cual provoca una mejor combustión y por ende mayor eficiencia. Por otra parte, las eficiencias de las turbinas y el compresor son opuestas en cuanto a valor en este caso, siendo la de este último mayor en comparación con la primera. Esto dice que la turbina aprovecho menos el fluido de estudio para convertirlo en trabajo, quizás esto pudo haber sido producto de las irreversibilidades presentes en el mismo o por efectos de errores en la determinación de relación de expansión. Al detallar las curvas, se demuestra gráficamente lo expresado anteriormente. El máximo rendimiento de la turbina fue de 65,09% para una carga de 35 lbm y el del compresor coincidió en 71,12%. En cuanto al rendimiento 22
térmico del ciclo, se puede notar que este aumenta proporcional a la carga que se aplica. Este comportamiento era de esperarse ya que en las condiciones en las que opera el ciclo, la carga aplicada ocasiona como consecuencia un aumento en la salida de los gases de escape, lo que contribuye a una buena combustión obteniéndose así un mejor rendimiento. Para la presente experiencia, el sistema obtuvo un rendimiento máximo de 7,78% que puede considerarse un tanto bajo en relación al que tienen comúnmente las turbinas a gas. El rendimiento del ciclo ideal permanece constante en 22,6 %. También se observa el flujo másico de aire y combustible en función de la carga aplicada. Dichos consumos realizados por la turbina muestran un comportamiento poco lógico en relación al consumo de flujo aire, ya que estos tienden a disminuir a medida que aumenta la carga, situación que debería presentarse de manera contraria, puesto que a mayor carga, mayor es el requerimiento de aire y combustible para producir potencia. En cuanto al consumo de combustible, la curva generada ofrece una descripción acorde con la realidad, ya que esta refleja un ligero aumento de flujo de combustible producido por el aumento de la carga, condición que resulta lógica debido a que cuando la carga aumenta, el sistema requiere de un mayor flujo de combustible para garantizar la demanda de potencia.
Por ultimo LA FIGURA 5.2 nos presenta de forma breve la relación existente entre el par torsional y la potencia al freno, y como ambas aumentan de forma casi proporcional a medida que la carga aplicada aumenta.
Guillermo Tranquini C.I: 21612411
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6. ANALISIS DE RESULTADOS. Al observar las diferentes tablas y figuras en donde se plasmaron los resultados obtenidos se pueden notar diferentes aspectos, con respecto a las TABLAS 5.1 y 5.2 se puede decir que son los datos experimentales con los cuales se hicieron los cálculos pertinentes para realizar el estudio, en las TABLAS 5.3, 5.4 y 5.5 se colocaron todos los parámetros característicos calculados. En la TABLA 5.1 Y 5.2 se puede notar que las presiones tanto de entrada como de salida del compresor se mantuvieron constante a medida que fue aumentado la carga, la temperatura de los gases de escape fueron aumentando a medida que la carga del freno fue aumentando y el tiempo en el cual se consumía un litro de combustible fue disminuyendo a medida que la carga aplicada fue aumentando. Con respecto a los parámetros que se observan en las TABLAS 5.3, 5.4 y 5.5 se puede acotar que presentan o un comportamiento constante a medida que la carga va aumentando, o que el comportamiento del mismo varia a medida que la carga va aumentando. Con respecto a la TABLA 5.6 se puede decir lo mismo que se dijo para las 3 últimas tablas. Ahora con respecto a la FIGURA 5.1 se puede notar que los flujos másicos ahí representados tuvieron comportamientos diferentes, el de combustible presento un comportamiento prácticamente constante a medida que fue variando la carga, mientras que el de aire presento al principio un comportamiento constante y luego tuvo una disminución, pasando a las eficiencias plasmadas en la figura, se puede notar que la eficiencia de la combustión presento una pequeña disminución, esta tuvo un comportamiento prácticamente lineal a medida que se aumento la carga, mientras que si se observa el comportamiento de la eficiencia de la turbina se puede notar que decrece y luego tiene un pequeño crecimiento pero no supera su eficiencia máxima, y por ultimo la eficiencia del compresor presentaron comportamiento constante en las primeras cargas y en las ultimas dos presentó una caída y termino comportándose prácticamente de manera lineal. Con respecto al rendimiento térmico del ciclo estudiado se puede decir a medida que aumenta la carga este va aumentando, esto era de esperarse ya que las temperaturas de escape aumentan a medida que la carga aumenta. Y con respecto al rendimiento del ciclo ideal este se mantuvo de manera constante a lo largo de toda la experiencia. Con respecto a la FIGURA 5.2 es fácil notar que a medida que la carga aumenta el par motor y la potencia del freno aumentan a su vez. Victor López CI: 21172456
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7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. Conclusiones:
La turbina a gas está formada primordial mente por un compresor, una cámara de combustión y una turbina.
La turbina de gas es una planta que produce una alta potencia por unida de peso o tamaño
Las turbinas de gas tiene eficiencias bajas si se comparan con ciclos de motores de combustión interna
Las turbinas tienen la facultad de aprovechar 1/3 de la energía proporcionada por un combustible
A medida que se requiera generar una mayor energía será necesario el incremento en la proporción del flujo de aire que entrega la potencia
.el l aumento el flujo de aire se debe ser proporcional al aumento en el flujo del combustible a fin de lograr en la cámara de combustión una reacción homogénea
La potencia al freno es directamente proporcional a la carga aplicada, es decir, que al aumentar la carga aumenta la potencia al freno.
La eficiencia de la turbina decar por efectos de diferentes factores como la fricción, la transferencia de calor hacia los alrededores, las caídas de presión, entre otros
La temperatura de los gases de escapes se incrementan a medida que aumenta la potencia al freno
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Recomendaciones:
Reparar el banco de pruebas de turbina de gas y vapor para poder generar una experiencia de aprendizaje mas amplia con respecto al tópico.
Tener sumo cuidado a la hora de tomar valores de las curvas características de la turbinas de gas y vapor
Y realizar medidas de variables con los instrumento de medición adecuados
Guillermo Tranquini C.I: 21612411
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7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.
Conclusiones:
Las presiones de entrada y salida del compresor se mantienen constantes.
La turbina a gas está conformada principalmente por un compresor, una cámara de combustión y una turbina.
A medida que la carga aumenta la potencia del freno aumenta.
A medida que la carga aumenta el par motor aumenta.
Para aumentar la producción de energía es necesario aumentar el flujo másico del aire.
Para lograr una combustión homogénea es necesario una buena relación entre el flujo másico del aire y el flujo másico del combustible.
La potencia al freno es directamente proporcional a la carga aplicada, es decir, que al aumentar la carga aumenta la potencia al freno.
La temperatura de los gases de escapes se incrementan a medida que aumenta la potencia al freno.
La fricción en el eje, la transferencia de calor a los alrededores y las caídas de presión son factores que influyen en el rendimiento de la turbina.
Recomendaciones:
Reparar el sistema de turbina a gas en el laboratorio, con el fin de poder observar el funcionamiento de la misma.
Victor López CI:21172456
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8. BIBLIOGRAFÍA
1. Avallonee, Eugene & Teodore Baumeister III. Manual del Ingeniero Mecánico. 9na Edición. Editorial McGraw-Hill. 2. Cengel Y. A., “Transferencia de Calor”. 2da Edición. McGraw-Hill/Interamericana Editores, S.A. de C.V. (2004). 3. Wikipedia, “Turbina a Gas”. Disponible en: http://es.wikipedia.org/wiki/turbina a gas.
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