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Turbomáquinas Térmicas (CT-3412)

Informe: Laboratorio Virtual y Real de Turbina a Gas.

Introducción

Se considera de gran importancia la realización de esta práctica de laboratorio, ya que en la misma se determinará experimentalmente (mediante un ensayo especializado) y virtualmente (mediante una simulación en el entorno de programación MatLab®) el campo de funcionamiento de una turbina a gas y del compresor adosado a la misma. El campo de funcionamiento de estos dos componentes es de vital importancia para la puesta en servicio de los mismos, de la manera más eficiente posible.

Sin embargo, esta información normalmente es suministrada por el fabricante de la turbina, quien la obtiene realizando ensayos similares, y es de gran valor para el acople del sistema turbina-compresor y sus posibles aplicaciones. Un turbocompresor ensamblado de manera incorrecta ocasionará efectos sobre el rendimiento del mismo cualquier condición de servicio e, incluso, puede dar pie a fenómenos más destructivos y peligrosos.

Por otra parte, estas turbinas son altamente utilizadas para propulsión aérea, aplicaciones marítimas y ferroviarias, generación eléctrica, cogeneración y bombeo en gasoductos; gracias a su sencillo principio de funcionamiento termodinámico de ciclo abierto (Brayton), la alta relación peso/potencia, el mantenimiento reducido, entre otras ventajas de estas Turbomáquinas térmicas.

Es por ello que la información y la experiencia obtenida en la presente práctica serán de vital importancia el día de mañana para establecer el campo de funcionamiento en el cual cualquier turbina a gas podrá operar y poder así realizar las modificaciones necesarias para su correcta operación.

Estudiantes: Fernando Núñez 06-39979 Profesora: Nathaly Moreno Salas Carlos Sampablo 06-40296



Marco Teórico

Turbina de Gas [1]

Una turbina de 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 ya que, aunque funcionan con sustancias en estado gaseoso, sus características de diseño son diferentes, y, cuando en estos términos se habla de gases, no se espera un posible cambio de fase, en cambio cuando se habla de vapores sí.

Las turbinas de gas son usadas en los ciclos de potencia como el ciclo Brayton y en algunos ciclos de refrigeración. Es común en el lenguaje cotidiano referirse a los motores de los aviones como turbinas, pero esto es un error conceptual, ya que éstos son turborreactores los cuales son máquinas que, entre otras cosas, contienen una turbina de gas.

Historia: [2]

El ejemplo más antiguo de la propulsión por gas puede ser encontrado en un egipcio llamado Hero en 150 A.C. Hero inventó un juguete que rotaba en la parte superior de una olla hirviendo debido al efecto del aire o vapor caliente saliendo de un recipiente con salidas organizadas de manera radial en un sólo sentido.

Figura 1: Imagen del juguete inventado por Heron en el año 150 A.C.


http://es.wikipedia.org/wiki/Turbom%C3%A1quina

http://www.monografias.com/trabajos/aire/aire.shtml

http://www.monografias.com/trabajos10/gase/gase.shtml

http://es.wikipedia.org/wiki/Turborreactor

http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_refrigeraci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_Brayton

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Ciclo_de_potencia&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/wiki/Gas

http://es.wikipedia.org/wiki/Fluido



Alrededor de 1500 D.C., Leonardo Davinci dibujó un esquema de un dispositivo que rotaba debido al efecto de los gases calientes que subían por una chimenea. El dispositivo debería rotar la carne que estaba asando. La primera patente para una turbina fue otorgada en 1791 a un inglés llamado John Barber. Incorporaba mucho de los elementos de una turbina de gas moderna, pero usaban un compresor alternativo. Hay muchos otros ejemplos de turbina por varios inventores, pero no son consideradas verdaderas turbinas de gas porque utilizaban vapor en cierto punto del proceso.

En 1872, un hombre llamado Stolze diseñó la primera turbina de gas. Incorporaba una turbina de varias etapas y compresión en varias etapas con flujo axial probó sus modelos funcionales en los años 1900.

La Compañía General Electric comenzó su división de turbinas de gas en 1903. Un Ingeniero llamado Stanford Moss dirigió la mayoría de los proyectos. Su desarrollo más notable fue el turbo supercargador. Este utilizaba los gases de escape de un motor alternativo para mover una rueda de turbina que, a su vez, movía un compresor centrífugo utilizado para supercargar. Este elemento hizo posible construir las primeras turbinas de gas confiables.

En los años 30, tantos británicos como alemanes diseñaron turbinas de gas para la propulsión de aviones. Los alemanes alcanzaron a diseñar aviones de propulsión a chorro y lograron utilizarlos en la 2° guerra mundial.

Funcionamiento: [2]

Una turbina de gas simple está compuesta de tres secciones principales: un compresor, un quemador y una turbina de potencia; como se puede apreciar en la figura 2. Las turbinas de gas operan en base en el principio del 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 expande a través de la turbina y la hace girar para llevar a cabo trabajo. En una turbina de gas con una eficiencia del 33%, aproximadamente 2/3 del trabajo producido se usa comprimiendo el aire. El otro 1/3 está disponible para generar electricidad, impulsar un dispositivo mecánico, etc.


http://www.monografias.com/trabajos10/nofu/nofu.shtml

http://www.monografias.com/trabajos11/veref/veref.shtml

http://www.monografias.com/trabajos34/el-trabajo/el-trabajo.shtml

http://www.monografias.com/trabajos14/impacto-ambiental/impacto-ambiental.shtml

http://www.monografias.com/trabajos11/presi/presi.shtml

http://www.monografias.com/trabajos14/trmnpot/trmnpot.shtml

http://www.monografias.com/trabajos11/artguerr/artguerr.shtml

http://www.monografias.com/trabajos10/motore/motore.shtml

http://www.monografias.com/trabajos12/desorgan/desorgan.shtml

http://www.monografias.com/trabajos12/pmbok/pmbok.shtml

http://www.monografias.com/trabajos/adolmodin/adolmodin.shtml

http://www.monografias.com/trabajos15/fundamento-ontologico/fundamento-ontologico.shtml

http://www.monografias.com/trabajos14/administ-procesos/administ-procesos.shtml#PROCE

http://www.monografias.com/trabajos16/manual-ingles/manual-ingles.shtml

http://www.monografias.com/trabajos13/termodi/termodi.shtml#teo



Figura 2: Ciclo de turbina de gas simple (Brayton).

Una variación del sistema de turbina simple (Brayton) es el de añadir un regenerador. El regenerador es un intercambiador de calor que aprovecha la energía de los gases calientes de escape al precalentar el aire que entra a la cámara de combustión. Este ciclo normalmente es utilizado en turbinas que trabajan con bajas presiones. Ejemplos de turbinas que usan este ciclo son: la Solar Centaur de 3500 hp hasta la General Electric Frame 5 de 35000 hp.

Las turbinas de gas con altas presiones de trabajo pueden utilizar un interenfriador para enfriar el aire ente las etapas de compresión, permitiendo quemar más combustible y generar más potencia. El factor limitante para la cantidad de combustible utilizado es la temperatura de los gases calientes creados por la combustión, debido a que existen restricciones a las temperaturas que pueden soportar los alabes de la turbina y otras partes de la misma. Con los avances en la Ingeniería de los materiales, estos límites siempre van aumentando. Una turbina de este tipo es la General Electric LM1600 versión marina.

Existen también turbinas de gas con varias etapas de combustión y expansión y otras con interenfriador y regenerador en el mismo ciclo. Estos ciclos los podemos ver en las figuras a continuación:


http://www.monografias.com/trabajos6/lide/lide.shtml

http://www.monografias.com/trabajos14/propiedadmateriales/propiedadmateriales.shtml

http://www.monografias.com/trabajos14/historiaingenieria/historiaingenieria.shtml

http://www.monografias.com/trabajos/termodinamica/termodinamica.shtml

http://www.monografias.com/trabajos15/transf-calor/transf-calor.shtml

http://www.monografias.com/trabajos11/teosis/teosis.shtml



Figura 3: Ciclo de turbina de gas con regenerador.

Figura 4: Ciclo de turbina de gas con interenfriador.

Aplicaciones [2]

La combustión de los gases de alto horno se puede aplicar a la obtención de energía eléctrica, y/o a la obtención de grandes cantidades de aire a presión necesario para diversas aplicaciones en las fábricas siderometalúrgicas. A principios de siglo se utilizaban soplantes que eran combinación de un motor de combustión interna que funcionaba con dichos gases y de un compresor alternativo, máquinas lentas y de grandes dimensiones; posteriormente, para el accionamiento de las turbosoplantes se utilizó una turbina de vapor alimentada por una caldera que quemaba el gas del horno alto. Hoy en día estos gases se queman en una turbina de gas acoplada a una turbosoplante, y/o a un alternador, en la que las condiciones de servicio, y el orden de magnitud de las potencias necesarias para el accionamiento de la turbosoplante y/o el alternador a gran velocidad, las hace idóneas para su utilización.




Turbina de gas para generación de energía.- Cuando la turbina de gas se utilice para generar energía eléctrica, la instalación se complementa con un compresor de gas de pequeñas dimensiones, que puede girar a mayor velocidad accionado mediante un multiplicador de engranajes. Los gases de escape calientan el aire y el gas combustible; la regulación del gasto de combustible se efectúa mediante un bypass en la aspiración; se puede realizar un ahorro de energía dotando al compresor de combustible de una turbina de recuperación.

Turbina de gas para la producción de viento.- La turbina de gas acciona en acoplamiento directo a la turbosoplante de viento, que alcanza una presión del orden de 1,2 atm, y mediante un multiplicador de engranajes acciona al compresor.

Figura 5: Esquema de un turbosoplante.

Como no hay alternador, la potencia generada en la turbina acciona a la turbosoplante, que no está sujeta a una velocidad de rotación determinada, por lo que se puede adaptar a las necesidades de viento de la instalación, tanto desde el punto de vista del gasto másico, como de la presión. Como el gasto másico de viento está entre un 33% a un 45% del gasto másico total del compresor, las fluctuaciones que se pueden producir en el servicio no influyen sensiblemente en el funcionamiento de la turbina.

Turbina de gas para la producción simultánea de energía y aire comprimido.- En esta instalación, figura 6, el grupo gira a velocidad constante y la regulación del gasto másico de viento se efectúa en la turbosoplante, por el escape, mediante una turbina de recuperación combinada con una toma en el compresor de aire. La combinación de la generación de energía y viento ofrece la posibilidad de hacer funcionar el alternador como motor, accionando la soplante en caso de una parada imprevista de la turbina de gas.

Los combustibles gaseosos, gases de horno alto o gas natural, no presentan en general los inconvenientes de los combustibles líquidos en




lo que concierne a la corrosión. Los gases de horno alto se deben depurar y las temperaturas vienen limitadas por la resistencia metalúrgica de los metales que con frecuencia llegan a 750ºC.

Figura 6: Turbina de gas para la producción simultánea de energía y aire comprimido.

Propulsión de barcos.- Las aplicaciones de la turbina de gas en la propulsión de navíos son poco numerosas, debido fundamentalmente a dos situaciones.

La primera es que la turbina marina debe estar provista de un elemento de marcha atrás que, cuando está inutilizado en funcionamiento normal, produce pérdidas por ventilación; en la turbina de vapor estas pérdidas son pequeñas, pues los elementos de marcha atrás giran en un espacio donde reina la presión del condensador, es decir, prácticamente el vacío; sin embargo no ocurre lo mismo en los grupos de gas donde estas pérdidas son sensibles, ya que las aletas están, cuando menos, a la presión atmosférica. No obstante, en algunos casos se puede evitar este inconveniente utilizando rotores de palas orientables.

La segunda característica consiste en que la inercia térmica de una turbina de gas de disposición clásica es grande, sobre todo cuando la instalación tiene dos líneas de ejes. En estas condiciones, se facilita la adaptación del generador de pistones libres, pues este aparato posee una inercia calorífica y mecánica pequeña, análoga a la del motor Diesel, y la inercia del grupo turboreductor de gas que mueve es idéntica a la de una turbina de vapor. De esta manera se han equipado un cierto número de barcos de pequeño tonelaje.




El aparato propulsor con grupo clásico lleva el generador de gas AP y el turboreductor BP; la figura 7, representa un esquema de esta disposición:

Figura 7: Grupo marino de turbina a gas.

Propulsión de automóviles.- La técnica actual permite adaptar la turbina de gas para potencias pequeñas con rendimientos muy aceptables en máquinas pequeñas con velocidad de rotación elevada. Pero los tipos que no llevan recuperador tienen un consumo exagerado que hace imposible todo desarrollo en la industria del automóvil. El problema de la aplicación de la turbina de gas al automóvil radica en el recuperador, que debe ser ligero, de dimensiones reducidas y de precio moderado. La mayor parte de los grandes constructores han construido y experimentado prototipos, que básicamente constan de:




Figura 8: Turbina a gas para un automóvil. Un generador de gases calientes constituido por un grupo de AP

de un escalonamiento, compresor centrífugo de aletas radiales, un recuperador rotativo cuyas células, calentadas por los gases de escape de la turbina BP, recalientan el aire que sale del compresor, una cámara de combustión;

Una turbina de potencia útil de un escalonamiento BP con álabes distribuidores regulables;

Elementos auxiliares, motor de arranque, bomba de combustible.

La originalidad de la máquina consiste en la presencia de los álabes distribuidores regulables que permiten hacer variar el par sobre la rueda de BP, e incluso ejercer un momento de frenado, particularidad interesante cuando se sabe que la falta de freno motor es uno de los principales inconvenientes que se encuentran en la turbina de gas aplicada para la tracción automóvil.

Ventajas y desventajas

Ventajas Desventajas Alta fiabilidad y disponibilidad. Menores costos de operación. Utiliza combustibles limpios y

renovables: Gas natural Gas residual Gas digestor Gas sintético (diesel)

Emisiones más bajas. Flujo de vapor de escape de

alta calidad usado en otros procesos: Calor directo Agua caliente Vapor Cogeneración)

Densidad de alta potencia. Amplia gama de bloques de

módulo de potencia. Reduce los costos de

construcción. Fácil transportación y arranque

Bajo rendimiento: menos del 30% de la energía calorífica contenida en el carburante se transforma en energía mecánica.

Bajas presiones de trabajo. Regímenes a menudo

demasiado elevados. Coste de fabricación elevado. Consumo de carburante

elevado. Se adapta mal a las potencias

bajas. Ruidoso por la velocidad de los

gases. Requiere reductores caros.




inicial rápido.

Desarrollo Experimental

Resultados o Datos Obtenidos en la Práctica

Tabla 1: Condiciones ambientales de la Práctica.

Tabla 2: Resultados obtenidos en el laboratorio de la turbina de gas para distintas velocidades de giro. (Datos Reales)




Tabla 3: Resultados obtenidos en el entorno de programación de MatLab® para la turbina de gas a distintas velocidades de giro. (Datos Virtuales)




Cálculos Obtenidos

Tabla 4: Cálculos obtenidos de velocidad de giro del freno (nf), potencia al freno (Pf), consumo de combustible (Mc), consumo específico de combustible (Mec) y temperatura de salida de los gases (Tsg) para las distintas velocidades de giro de la turbina. (Campo de Funcionamiento de la Turbina)




Tabla 5: Cálculos obtenidos de relación de compresión (rc), eficiencia del compresor (ɳ) y flujo másico de aire que pasa a través del compresor (mf). (Campo de Funcionamiento del Compresor)




Tabla 6: Cálculos obtenidos de eficiencia del compresor y potencia al freno para valores de velocidades de giro constantes. (Construcción de Grafica ɳ vs. rc para Pf y rpm constantes)

Pf [KW]ɳ [%]

35000rpm 37000rpm 41000rpm 45000rpm 46000rpm2.0 66.4738 72.1655 66.1274 71.2213 65.04264.0 68.7102 70.0008 68.2687 69.2686 67.02126.0 70.7522 67.9477 70.2463 67.3056 68.97888.0 73.0184 65.7525 72.3072 65.2945 70.8364

10.0 75.0346 67.6880 74.3074 67.7517 72.7544

Tabla 7: Cálculos obtenidos de relación de compresión y potencia al freno para valores de velocidades de giro constantes. (Construcción de Grafica ɳ vs. rc para Pf y rpm constantes)

Pf [KW] rc

35000rpm 37000rpm 41000rpm 45000rpm 46000rpm2.0 1.52 1.6 1.76 1.96 2.024.0 1.55 1.6 1.76 1.95 26.0 1.56 1.62 1.78 1.96 2.028.0 1.58 1.64 1.8 1.98 2.04

10.0 1.59 1.65 1.82 2.02 2.06

Tabla 8: Cálculos obtenidos de flujo másico de aire y potencia al freno para valores de velocidades de giro constantes. (Construcción de Grafica rc vs. mf para Pf y rpm constantes)

Pf [KW]mf [m³/s]

35000rpm 37000rpm 41000rpm 45000rpm 46000rpm2.0 0.0137 0.0145 0.0164 0.0186 0.0194.0 0.0138 0.0146 0.0166 0.0185 0.01946.0 0.0138 0.0146 0.0166 0.0182 0.01948.0 0.0138 0.0146 0.0166 0.0185 0.0194

10.0 0.0137 0.0146 0.0166 0.0188 0.0194

Tabla 9: Cálculos obtenidos de relación de compresión y potencia al freno para valores de velocidades de giro constantes. (Construcción de Grafica rc vs. mf para Pf y rpm constantes)

Pf [KW]rc

35000rpm 37000rpm 41000rpm 45000rpm 46000rpm2.0 1.52 1.6 1.76 1.96 2.02




4.0 1.55 1.6 1.76 1.95 26.0 1.56 1.62 1.78 1.96 2.028.0 1.58 1.64 1.8 1.98 2.04

10.0 1.59 1.65 1.82 2.02 2.06

Gráficos y Tablas

Figura 9: Gráfica de Potencia al Freno vs. Consumo de Combustible para las distintas velocidades de giro de la turbina de gas.




Figura 10: Gráfica de Temperatura de Salida de los Gases vs. Consumo de Combustible para las distintas velocidades de giro de la turbina de gas.

Figura 11: Gráfica de Potencia al Freno vs. Consumo Específico de Combustible para las distintas velocidades de giro de la turbina de gas.




Figura 12: Gráfica de Potencia al Freno vs. Velocidad de Giro de la Turbina para valores constantes de Consumo de Combustible y Temperatura de Salida de los Gases.

Figura 13: Gráfica de Relación de Compresión vs. Potencia al Freno para las distintas velocidades de giro de la turbina de gas.




Figura 14: Gráfica de Flujo Másico de Aire vs. Potencia al Freno para las distintas velocidades de giro de la turbina de gas.

Figura 15: Gráfica de Eficiencia del Compresor vs. Velocidad de Giro del Freno para valores constantes de Potencia al Freno.




Figura 16: Gráfica de Eficiencia del Compresor vs. Relación de Compresión para valores constantes de Potencia al Freno y de Velocidades de Giro de la Turbina.




Figura 17: Gráfica de Relación de Compresión vs. Flojo Másico de Aire en el Compresor para valores constantes de Potencia al Freno y de Velocidades de Giro de la Turbina.




Análisis de Resultados

Analizando los resultados obtenidos, se puede evidenciar que existe una relación lineal entre la Potencia al Freno y los valores calculados de Consumo de Combustible, mostrados en la Figura 9, con una aproximación grafica mayor al 99% para todas las series; es decir, que a mayor consumo de combustible que tenga nuestra turbina a gas, mayor va a ser la potencia requerida para frenar la misma. Esto se debe principalmente a la relación existente entre la velocidad de giro de la turbina y el consumo de combustible; por lo que a mayor velocidad de giro de la turbina, la cantidad de consumo de combustible aumenta y, por ende, debe aumentar la potencia al freno.

De esta manera, se puede observar en la Figura 9, que conforme aumentan las velocidades de giro de la turbina, también aumenta el consumo de combustible; registrándose que el mayor valor de consumo de combustible para la serie de datos de 43000 rpm fue de 10.7 g/s. Observando más a fondo, se puede notar existe una “contradicción” en estos valores, dado que se esperaba que el mayor valor de consumo de combustible se presentara en la serie de datos de mayor velocidad de giro ensayada (46000 rpm); sin embargo, cabe destacar que la serie de datos de 43000 rpm pertenece a los valores ensayados realmente y, por ende, escapan un poco de los valores obtenidos de manera virtual. Por lo que, la tendencia lineal de crecimiento proporcional (a mayor consumo de combustible, mayor potencia al freno) se hace presente en todas las series de datos ensayados tanto real como virtualmente.

Por otra parte, analizando los resultados obtenidos en la Figura 10, se tiene Temperatura de salida de los gases vs. Consumo de combustible, siendo esta temperatura la medida a la salida de la turbina. En este sentido, se puede observar que para el eje de la temperatura de salida de los gases nunca se alcanza ni se supera el valor de 650 °C (mayor valor registrado 556 °C a 39000 rpm); valor establecido como límite en las especificaciones dadas para la turbina de gas ensayada en el laboratorio de conversión. Así mismo, se aprecia que, para los valores virtuales, el comportamiento se ajusta a lo esperado puesto que al aumentar el valor de la velocidad de giro de la turbina, el consumo de combustible aumenta y la temperatura de salida de los gases disminuye. Una vez mas, los valores reales escapan un poco a lo obtenido por medio de la simulación pero siguen el mismo patrón descrito anteriormente (a mayor rpm, mayor es el consumo de combustible y menor temperatura de salida de los gases). Este es un comportamiento típico en las turbinas de gas en general, puesto que se espera que la




expansión realizada en la turbina disminuya la temperatura del gas conforme se aprovecha el trabajo generado por la misma.

Además, al analizar la Figura 11, se tiene la gráfica de Potencia al freno vs. Consumo específico de combustible, observándose que la misma tiene una tendencia proporcionalmente inversa, tendiendo al infinito en el eje “y” y al valor “0” en el eje x; esto se debe a la característica principal de las turbinas de gas de registrar altos valores de consumo especifico de combustible para pequeños valores de potencia al freno y, de forma inversa, para grandes valores de potencia al freno se obtienen valores menores de consumo de combustible. También, puede apreciarse que, para los distintos valores de velocidad de giro de la turbina, las curvas se aglomeran entre si (incluso algunas se solapan), indicando que no existen grandes variaciones en los valores de la potencia al freno y el consumo especifico de combustible conforme aumenta la velocidad de giro de la turbina. Nuevamente, la serie de datos reales de 43000 rpm escapa un poco del grupo de datos en general, pero respeta el comportamiento descrito de la curva.

El Procedimiento seguido para la realización de esta gràfica fue el siguiente; se entró a la gràfica de Tsg vs Mc a temperaturas constantes ( como por ejemplo: 250ºC, 300ºC, etc) del corte de esas líneas horizontales con la gràfica se puede leer del eje de las abscisas los valores de Mc. Una vez obtenidos los valores de Mc a temperatura constante entramos a la gràfica de Pf vs Mc con los valores de Mc obtenidos en la gràfica anterior y al proyectar los cortes de estos valores con la gráfica podemos obtener los Pf buscados para realizar la gràfica deseada (Pf vs RPM) Luego se unen los puntos a temperatura constantes y se obtienen las isotermas.

De la Figura 12, se aprecia fácilmente que a medida que la turbina trabaja con mayores valores de velocidad de giro la temperatura de salida de los gases disminuye. Esto se debe a que la expansión que experimentan los gases en la turbina se transforma en el trabajo realizado por ésta. Este comportamiento se corrobora en la Figura 10 (Tsg vs Mc), dónde también es fácil ver que al trabajar con mayores valores de RPM la temperatura de salida de los gases disminuye. El mayor valor de temperatura de salida de los gases fue cercano a los 400 °C registrado durante la simulación a una velocidad de giro de 35.000 RPM, un 45% de temperatura mayor que el menor valor encontrado, cercano a los 180 °C registrado durante la simulación a una velocidad de giro de 46.000 RPM.




Analizando la figura 13, se puede observar un comportamiento casi constante entre los valores de Relación de Compresión y Potencia al Freno; por lo que, no se aprecia mucha variación en la forma de las rectas. En todo caso, la poca variación que se puede apreciar es de crecimiento en los valores de Relación de Compresión a medida que crecen los valores de Potencia al Freno. Lo que si se aprecia de forma obvia es que a medida que aumentan los valores de Velocidad de Giro de la Turbina, los valores de Relación de Compresión también aumentan. Sin embargo, la serie de datos reales de 43000 rpm escapa un poco del grupo de datos en general, pero respeta el comportamiento descrito de la curva.

Igualmente, analizando la figura 14, se puede observar un comportamiento similar al descrito en el párrafo anterior en la correspondencia de puntos entre los valores de Flujo Másico de Aire y de Potencia al Freno; por lo que, no se aprecia mucha variación en la forma de las rectas. En este caso, si se cumple a cabalidad para todas las series de valores estudiadas que el aumento en la Velocidad de Giro de la Turbina implica un aumento en los valores de Flujo Másico de Aire; viéndose de forma ordenada como las rectas de Velocidad de Giro de la Turbina constantes van subiendo en el eje “y” incrementando los valores de Flujo Másico conforme aumentan las rpm ensayadas.

De igual manera, en la figura 15, se puede apreciar la correspondencia de puntos entre los valores de la Eficiencia del Compresor y de velocidad de giro del freno; observándose que la tendencia entre ambos es cuadrática con una aproximación grafica mayor al 94% para las distintas series estudiadas, dada la forma de parábola un poco aplanada que se obtuvieron. Igualmente, se obtuvieron valores típicos de Eficiencia del Compresor siendo la mas alta 78% para los valores de Potencia al Freno de 12KW; por lo que, se puede apreciar un comportamiento decreciente en los valores de eficiencia a medida de que los primeros valores de Potencia al freno crecen (2KW, 5KW Y 7KW) y un comportamiento creciente en los últimos valores (10KW, 12KW). Vale destacar, que el valor máximo propio de las demás aperturas nunca estuvo por debajo del 68% de eficiencia, lo que corrobora la buena efectividad del compresor adosado a la turbina de gas.

Analizando la figura 16, se puede observar el mismo comportamiento de Eficiencia del Compresor descrito en el párrafo anterior, con la diferencia de que la aproximación grafica de la tendencia cuadrática es mucho mayor (≥98%) dado la forma mas cóncava de las parábolas obtenidas. Así mismo, se puede apreciar que los puntos de




Relación de Compresión se manejan entre los valores de 1.6 y 2.0, observándose un leve crecimiento en los mismos a medida que se aumenta la velocidad de giro de la turbina. Por otra parte, se puede apreciar que los puntos de Velocidad de Giro de la turbina constantes forman semiconchas que se extienden a lo largo del eje “x” corroborando el comportamiento previamente descrito de a mayores rpm mayores son los valores de relación de compresión. Si bien las formas de las curvas no se ajustan a lo que idealmente es esperado (similares a unas conchas de nivel), se puede decir que cumplen con el objetivo esperado ya que el proceso de obtención de puntos se siguió acorde con lo establecido en la guía del laboratorio y se garantiza que la zona arropada por las curvas construidas corresponden a valores de velocidad de giro y potencia al freno constantes.

Finalmente, en la figura 17, se puede observar un comportamiento lineal creciente entre los valores de Relación de Compresión y Flujo Másico de Aire, apreciándose que para los distintos valores de Potencia al Freno constante la variación entre los valores no es muy grande. Por otra parte, se observa un comportamiento similar al descrito en el párrafo anterior para los valores de Velocidad de Giro de la turbina constantes forman semiconchas que se extienden a lo largo del eje “x” corroborando el comportamiento de que a mayores rpm mayores son los valores de relación de compresión. Al igual que en el punto anterior, vale destacar que si bien las formas de las curvas no se ajustan a lo que idealmente es esperado (similares a unas conchas de nivel), se puede decir que cumplen con el objetivo esperado ya que el proceso de obtención de puntos se siguió acorde con lo visto en la guía del laboratorio y se garantiza que la zona arropada por las curvas construidas corresponden a valores de velocidad de giro y potencia al freno constantes.




Conclusiones

1. Se pudo comprobar la correspondencia de los resultados obtenidos gráficamente con los esperados teóricamente, ya que para una turbina de gas los valores de la temperatura de salida de los gases debe disminuir conforme aumenta el valor de velocidad de giro de la turbina, por el trabajo aprovechado en la expansión de los gases.

2. Se apreció y experimentó el modo adecuado para el estudio de una turbina de gas y se aprendió a construir y determinar el campo de funcionamiento de la misma y del compresor adosado a ella; por lo que se dispone de una gran herramienta a la hora de necesitar información de estas turbomáquinas térmicas.

3. Se pudo concluir que conforme aumentan los valores de velocidad de giro de la turbina, el consumo de combustible, el flujo másico de aire y la relación de compresión también aumentan.

4. A lo largo de la realización de la práctica, se pudo constatar que los valores reales, obtenidos experimentalmente, escapan un poco del comportamiento típico descrito por los valores virtuales, obtenidos por medio de la simulación; sin embargo, los valores reales siempre se apegaron al comportamiento esperado. Esto puede deberse, a que los valores obtenidos por medio de la simulación están diseñados para describir el comportamiento de la turbina de gas a condiciones estándar de servicio, en cambio, los valores reales se obtuvieron experimentalmente a condiciones determinadas en el momento de la realización de la practica.

5. De igual manera, los valores simulados a 47000 rpm tuvieron que ser descartados para la realización de las graficas puesto que para esos valores la turbina de gas entra en el límite de su campo de




funcionamiento y los valores que se obtienen se ven afectados por el funcionamiento deficiente de la misma.

6. Experimentalmente obtuvimos resultados que se vieron afectados por las pérdidas de energía que normalmente despreciamos en clases y por la dificultad a la hora de la toma de datos por el alto ruido que produce la turbina de gas en funcionamiento; sin embargo, se pudo constatar la efectividad de las formulas teóricas para predecir resultados rápidamente.

7. La información obtenida será de vital importancia el día de mañana para establecer las características en las que cualquier turbina de gas pueda entrar en servicio operando correctamente.

A partir de las conclusiones expuestas se recomienda:

Realizar una revisión y calibración periódica de los instrumentos de medición y ensayo a fin de evitar desgastes y daños que produzcan errores en las mediciones que puedan afectar los resultados obtenidos.

No trabajar la simulación de la turbina a la velocidad de giro de 47000 RPM debido a que a ésta velocidad nos encontramos en el límite del campo de funcionamiento de la turbina por lo tanto los datos obtenidos de la simulación no son fiables.

Establecer un lenguaje de señas previo a la realización de la práctica debido a que durante ésta la turbina emite niveles de ruidos muy altos lo cual imposibilita la comunicación entre los presentes.




Bibliografía

1. Turbinas de Gas, Wikipedia. [En línea]http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_de_gas

2. Turbina de Gas, Renovetec. [En línea]http://www.turbinasdegas.com/index.php/principios-de-funcionamiento

3. S. L. Dixon, Fluid Mechanics and Thermodynamics of Turbomachinery. Cuarta Edición. Butterworth Heinemann.


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http://ramaucsa.wordpress.com/

http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_de_gas

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