Turbina de Gas Ciclo Brayton, Manual.

 

 

2017

PROTOTIPO DE UNA TURBINA DE GAS CICLO BRAYTON

 

 

INDICE 

INTRODUCCION .......................................................................................................................... 4   

....................................................................................................... 5

1 FUNDAMENTO TEÓRICO   2 MARCO TEÓRICO ................................................................................................................ 5  2.1. Ciclo Brayton ........................................................ ......................................................................................................................... ................................................................. 5 2.2. Turbina de Gas Gas ....................................................... ........................................................................................................................ ................................................................. 5 2.3. Combu Combustor stor .............................................................. ............................................................................................................................... ................................................................. 6 2.4. Compre Compresor sor .............................................................. ............................................................................................................................... ................................................................. 6 2.5. Cámara Combustión .......................................................... ................................................................................................................ ...................................................... 6 2.6. Turbina ........................................................................................................................... ................................................................................................................................... ........ 6

3 MATERIALES

 

............................................................................................................................. 6

4 PROCEDIMIENTO

 

..................................................................................................................... 7

5 BALANCE DE ENERGIA 6 DATOS

 

..................................................................................................... 11

 

..................................................................................................................................... 11

7 CALCULOS

 

.............................................................................................................................. 12

7.1. Cálculo de calor

 

................................................................................................................... ..................................................... .............................................................. 12

7.2. Calculo del flujo volumétrico 7.3. Calculo del flujo másico 7.4. Calculo de entalpia 7.5. Cálculo del Calor

 

................................................................................................. 12

 

.................................................................................................... 12

 

.............................................................................................................. 12

 

................................................................................................................. 12

7.6. Cálculo de la Presion de Salida 7.7. Cálculo de la Temperatura ideal 7.8. Calculo de Trabajo Ideal

 

........................................................................................... 12

 

...................................................................................................... 12

7.9. Calculo Trabajo cámara de combustión

8 RESULTADOS

 

............................................................................................. 12

 

................................................................................. 12

 

....................................................................................................................... 12

9 FUNCIONAMIENTO DEL EQUIPO

 

.................................................................................. 13

9.1. Turbina

........................................................................................................................... ........................................................... ........................................................................ ........ 13

9.2. Toberas

........................................................................................................................... ........................................................... ........................................................................ ........ 13

   

 

9.3. Carcasa de la Turbina 9.4. Cámara de Combustión

 

.......................................................................................................... ............................................................. ............................................. 13

 

......................................................................................................... ............................................................ ............................................. 13

9.5. Ensamblajes y Pruebas

... ...

…………………………………………………………

10 

SEGURIDAD

  13

…………………

................................................................................................................ 14 14  

10.1. Información Importante

 

..................................................................................................... ......................................................... ............................................ 14

............................................................................................... ................................. 14  10.2. Advertencias y Precauciones .............................................................. 10.3. Pictograma de Seguridad ......................................................... ..................................................................................................... ............................................ 15  .................................................................................................................. ........................................................ 16  11 DESPERFECTOS ..........................................................

12 BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................... 17  13 ANEXOS

 

............................................................................................................................... 18

13.1. 

Hoja Guía de Laboratorio

13.2. 

Planos Turbina ............................................................. .......................................................................................................... ............................................. 23

........................................................................................ .................................................................. ...................... 19

 

INTRODUCCIÓN E1 presente trabajo trata sobre el funcionamiento, diseño, construcción, características y utilidad de una turbina de gas, la cual fue ensamblada con el fin de simular una turbina de gas real, ya que estas son utilizadas mayoritariamente en el trasporte como en motores de aviones y para generación de energía eléctrica debido a su alta eficiencia, lo que quiere decir que entregan una gran potencia la cual puede ser utilizada en varios fines. Este tipo de turbinas obedece una serie de leyes termodinámicas, sin embargo su funcionamiento obedece principalmente a un ciclo termodinámico eficiente, el Ciclo Brayton, este ciclo ideal se define por los cuatro procesos reversibles: compresión adiabática del estado 1 al estado 2, adición de calor a presión constante, expansión adiabática y rechazo de calor a presión constante para llegar al estado 1. La turbina de gas prototipo básicamente está conformada por los siguientes componentes: las hélices, dos ejes, uno principal y el otro secundario, la turbina con sus toberas, un compresor, rodamientos, un motor que le da impulso, una cámara de combustión o combustor, los ventiladores y el compresor. Todos y cada uno de estos componentes son capaces de soportar altas temperatura debido a que se trabaja con GLP para calentar el aire y de los cuales se describirá su funcionamiento en este manual. Los análisis para la turbina de gas como balances de masa, energía y otras variables de interés se efectuaron con aire estándar, es decir se calcularon considerando que el aire es un gas perfecto, ya que se realizaron las pruebas respectivas bajo condiciones de temperaturas altas y presiones bajas con respecto al punto crítico. Esto con el fin de determinar cómo se extrae mecánicamente la  potencia máxima en la turbina de gas prototipo y así comprender mejor el funcionamiento de la turbina de gas real. Con respecto a los cálculos respectivos se utilizó las tablas de aire para tene tenerr en cuenta los valores de calores específicos que podrían variar con la temperatura, también se asumió que los procesos de compresión y expansión son politrópicos reversibles, y que la compresión y expansión se producen de forma adiabática e irreversible. 

4

 

MANUAL DE OPERACION 1.  FUNDAMENTO TEORICO Toda turbomáquina, hidráulica o térmica, se basa en la ecuación de Euler, es decir, imparte o absorbe energía al fluido mediante los cambios de dirección y de velocidad. En el caso de las turbomáquinas hidráulicas, se pueden despreciar los efectos de la compresibilidad del fluido, pero no ocurre así en las turbomáquinas térmicas. Las turbinas de gas pueden funcionar seg según ún varios ciclos, pero el aqu aquíí estudiado es el ciclo de no regenerativo compresión y simple expansión. La Brayton turbina abierto como máquina, constadedesimple tres órganos fundamentales donde se producen las transferencias energéticas.

2.  MARCO TEORICO 2.1. CICLO BRAYTON El ciclo Brayton fue propuesto por George Brayton por vez primera para usarlo en e1 motor reciprocante que quemaba aceite, actualmente es utilizado en turbinas de gas donde los procesos tanto de compresión como de expansión suceden en maquinaria rotatoria. Las turbinas de gas operan en un ciclo abierto. El ciclo de turbina t urbina de gas abierto puede modelarse como un ciclo cerrado, 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 se 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: 1-2 Compresión isentrópica (en un compresor) 2-3 Adición de calor a presión constante 3-4 Expansión isentrópica (en una turbina) 4-1 Rechazo de calor a presión constante (Kurt C. Rolle, 2006)

2.2. TURBINA DE GAS La forma en que la energía térmica se convierte en energía mecánica y produce trabajo es en la turbina de gas. En ella, la corriente de gas (o líquido) a alta velocidad, se dirige hacia la rueda de paletas e induce así una rotación en ella. Este arreglo se llama turbina de impulso, y es uno de los dos tipos de turbina. (Francese Sales, 2013)

5

 

2.3. COMBUSTOR Los gases a alta temperatura que llegan a la tobera de la turbina de gas se producen en el combustor. Un combustor es simplemente una cámara a presión constante, que permite el quemado o combustión del combustible y el aire, Se puede concebir como un tubo con inyectores de combustible colocados. El frente de flamas es una reacción química continua, en estado estable, de combustible y aire, que produce los gases calientes para la turbina. Podemos considerar, entonces, que el frente de flamas es un proceso de adición de calor. (Francese Sales, 2013) 2.4. COMPRESOR   Absorbe aire atmosférico y eleva su presión a costa de un cierto trabajo proporcionado  por el eje. Existen diversos tipos de compresores. En su clasificación más general, atendiendo al recorrido del Huido relativo al eje de la máquina, se clasifican en compresores axiales y centrífugos. (Francese Sales, 2013) 2.5. CÁMARA DE COMBUSTIÓN  El calor se introduce en las turbinas de gas a través de la cámara de combustión. Esta cámara recibe el aire comprimido proveniente del compresor y lo envía a una elevada temperatura hacia la turbina expansora, idealmente sin pérdida de presión. De esta forma, la cámara de combustión es un calentador de aire donde el combustible, mezclado con mucha mayor cantidad de aire que lo que correspondería a una mezcla estequiométrica aire-gas. (Francese Sales, 2013) 2.6. TURBINA  Es el órgano motor de la máquina. Se encarga de acelerar el gas y transformar parte de este en trabajo útil en el eje. Las turbinas de aviación, entregan toda la potencia útil al compresor, y el salto entálpico restante se produce en la tobera de expansión, incrementando así la velocidad de los gases y produciendo empuje. (Francese Sales, 2013) 3.  MATERIALES

Figura 1: Componentes de una Turbina de Gas

6

 

Tabla 1: Componentes de una Turbina de Gas

ITEM 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

CANTIDAD 2 1 2 3

ELEMENTO Cilindros de aluminio macizo Plancha de hierro Rodamientos Cilindros huecos de hierro

1 1 1 1 1 1

Motor eléctrico multímetro tacómetro Termocupla termoresistente Motor de rotación Computadora con software Excel

4.  PROCEDIMIENTO 4.1. ESTRUCTURA DEL SISTEMA   C ámar ámara a de com combustión busti ón   Material: Hierro    Color: Plomo    Dimensiones: 13 cm diámetro x 25 cm de fondo 



 

Agujeros de oxigenación: 6.5 mm de diámetro di ámetro 

Figura 2: Cámara de Combustión   B ar r er a I nt nte er na   Material: Hierro    Color: Plomo    Dimensiones: 35 mm diámetro x 19.2 cm de fondo 



Figura 3: Barrera Interna 7

 

  B ar r er a E xter xter na   Material: Hierro    Color: Plomo    Dimensiones: 20 cm diámetro x 19.2 cm de fondo 



Figura 4: Barrera Externa (carcasa)   L í nea d de e comb combusti ustible ble   Material: Cobre    Color: Cobre 



Figura 5: Tubo de cobre   R odam odamii entos entos   Diámetro: interno de 8 mm y externo de 12 mm 



Figura 6: Rodamientos   Compresor   Material: Aluminio    Color: Plomo    Dimensiones: 110 mm diámetro (24° de separación entre cada aspa)



8

 

Figura 7: Compresor   H élilice ce 1   Material: Hierro    Color: Plomo    Dimensiones: 16 cm de diámetro x 0.2 de largo (24° de separación entre cada aspa) 



Con 3 puntas (a la misma longitud del arco) que alcanza los 17 cm cada punta.

Figura 8: Hélice 1    Moto  Motor de de co corr rr i ent nte e cont contii nu nua a   Voltaje: 110 V    Frecuencia: 60 Hz    Potencia: 0.5 HP | 371.85 W | 1272.22 BTU/h |    Límite máximo: soporta hasta 0.737562 HP | 550 W | 1876.5 BTU/h  



Figura 9: Motor

9

 

  Compresor   Material: Hierro   Color: Plomo    Dimensiones: 8 cm de fondo (diámetro inicial de 16 cm | diámetro final de 4



cm)   H élilice ce 2   Material: Hierro 



   

Color: Plomo  Dimensiones: 16 cm de diámetro

Figura 10: Hélice 2    Multím  Multíme etr o   Baterías: 9 V    Peso: 251 g    Temperatura: 0-1370 °C     Pantalla: LCD 



Figura 11: Multímetro   Termocupla   Resistencia hasta 1200 °C 



Figura 12: Termocupla

10

 

  Tacómetro   Pantalla: LCD    Mide RPM en cualquier superficie rotacional     Rango: de 2.5 a 99.99 RPM    Exactitud: +/- 5% (un digito)    Distancia: 50 a 500 mm/2 a 20 pulgadas    Memoria: Ultimo valor, Valor máximo, Mínimo RPM  



   

Energizado por 1 x Bateria de 9 V  Tamaño: 130x70x29 mm    Peso: cerca de 160 g 

Figura 13: Tacómetro

5.  BALANCES DE ENERGIA 6. 

               ̇ ̇ FUNCIONAMIENTO DEL EQUIPO

6.1. TURBINA La turbina consta de dos partes esenciales; el cuerpo de toberas o estator, y la turbina o rotor. El rotor, a pesar de estar sometido a menor temperatura que el estator está sometido a esfuerzos centrífugos elevados, y por lo tanto el material deberá ser más resistente. Para el estator, se ha elegido acero, ya descrito anteriormente para fabricar el cuerpo de toberas, y para el rotor acero inoxidable. Se ha elegido este acero debido a que es un acero maleable, propiedad necesaria para la fabricación del rodete y sus características mecánicas son suficientes para esta aplicación. 6.2. TOBERAS El cuerpo de toberas, se en control con fresa con planaladelongitud 6mm. y Para su mecanizado, se ha hamecanizado fabricado primero un numérico, tronco rectangular diámetro interior y exterior acordes con los planos. Las entradas de los agujeros para la sujeción a la estructura interna, también se hacen  para que estén bien centrados, y posteriormente se taladran y roscan en la fresadora manual.

6.3. CARCASA DE LA TURBINA La carcasa de la turbina, se ha fabricado mediante dos cilindros de acero comercial y acero inoxidable. Las razones por las cuales se ha elegido este material son las mismas que en el caso del cuerpo de toberas.  Solo se han torneado a su diámetro correspondiente y hecho los agujeros necesarios  para su sujeción y se han soldado. soldado. Esto se ha hecho debido debido a que se tenían disponibles dos tubos de diámetros parecidos a los requeridos. Para que la soldadura quedara bien centrada, se ha hecho un pequeño escalón al cilindro de mayor diámetro que encaja con 11

 

el cilindro de menor diámetro, y de esta manera la soldadura se hace fácil, para así sujetarla con tornillos y roscas.

6.4. CÁMARA DE COMBUSTIÓN La cámara de combustión está formada por dos tubos concéntricos de acero inoxidable. La adición de combustible se realiza en la zona primaria, donde los agujeros son escasos, y posteriormente, en la dirección del flujo el número de agujeros aumenta. Para evitar tener que doblar las láminas, se escogen dos tubos con diámetros específicos. La entrada de combustible se realizara mediante tubos de cobre. La cazuela exterior se corta en el torno para poder encajarla con la interior, como se muestra en la fotografía. El agujereado, se realiza en una fresadora manual. Al ser uno de los tubos de espesor muy fino se hace un pequeño agujero con un punto y con lubricante antes de pasar la  broca, para evitar que se rompa con la presión presión de la herramienta. El sistema de distribución de combustible, consta de una entrada de combustible por un tubo de cobre. Para construir la carcasa de la cámara de combustión, se ha utilizado un tubo de chimenea de acero inoxidable de 4mm de espesor y sus respectivas tapas están hechas del mismo material debido a que deben soportar altas temperaturas. A continuación, se han soldado ambas piezas para dar el cuerpo exterior de la cámara de combustión. 6.5. ENSAMBLAJE Y PRUEBAS Una vez fabricados todos los componentes de la turbina, se deben ensamblar. A continuación, se muestra el proceso hasta llegar a la turbina completa. El primer paso es el montaje del eje en la estructura interna por medio de los cojinetes. Luego, se puede montar el rodete del compresor y taparlo con el difusor, que se atornillara a la estructura interna. El siguiente paso, es el montaje de los tubos de llama de la cámara de combustión y el cuerpo de toberas. Una vez montado el cuerpo de toberas, se introduce grasa en la cavidad existente en la estructura interna, y se tapa con la pieza atornillada. Esto se hace debido a que esa zona de la maquina alcanzará grandes temperaturas y el rodamiento pierde su grasa rápidamente. Finalmente, se inserta la carcasa de la cámara de combustión y está lista para poner en marcha.

7.  SEGURIDAD 7.1. INFORMACIÓN IMPORTANTE Leer las siguientes instrucciones con cuidado antes de usar el prototipo.    Encendido del dispositivo Conecte el dispositivo a la red eléctrica, visualizará un interruptor presione dos veces en modo encendido y empezara el movimiento del eje principal que indica el correcto funcionamiento y conexión del sistema. Mantenga el motor encendido. 

   No moje el dispositivo (motor) (motor)



El sistema electrónico del del motor no cumple con el grado de protección IP54, contra agua y suciedad. No debe mojarse por ningún motivo.



  Úselo correctamente 12

 

El sistema debe usarse exclusivamente para simular una turbina de gas, el mal uso de este prototipo puede ocasionar que el sistema muestre resultados erróneos o daños a los componentes del mismo.   Acerca del dispositivo



El dispositivo solo funciona única y exclusivamente con aire y GLP, ya que está diseñado para operar y soportar las condiciones a las cuales estos gases actúan como combustibles o flujos de trabajo.

  Conexión/desconexión del dispositivo



Asegúrese que el sistema no esté realizando algún proceso antes de apagarlo, para evitar que se se dañe eell motor eléctrico o algún componente dentro del sistema,  primero desconecte el flujo de combustible y luego la conexión eléctrica del sistema.

7.2. ADVERTENCIAS Y PRECAUCIONES

Para evitar cualquier accidente al usar el TG001, se deben tomar medidas  precautelares como: como:  Tabla 5: Instrumentos de Protección

MATERIAL

ILUSTRACIÓN 

USO

Guantes anti-calor (de preferencia tipo Kevlar KPG10).

Para manipular todo el tiempola ymáquina evitar quemaduras debido a las altas temperaturas con las que se maneja.

Gafas de protección anti-polvo.

Para evitar accidentes visuales debido a las  basurillas que pueden existir, a causa del fluido con el que se trabaja (Aire), que pudiesen salir rápidamente de la turbina.

Mandil para laboratorio de tela gruesa, largo.

Requisito indispensable  para cualquier prueba de laboratorio.

  Además

de esto, se debe evitar completamente, el colocarse detrás de la turbina de expansión, o muy cerca de su cámara de combustión; para evitar quemaduras fuertes debido a que operan a altas temperaturas de salida.

  También

se debe tener cuidado en cuanto a la manipulación del combustible (en este caso tipo GLP), para evitar fugas y accidentes.

13

 

7.3. 

PICTOGRAMAS DE SEGURIDAD

ATENCIÓN: EL USO DE DE ADITAMENTOS, AJUSTES O PROCEDIMIENTOS DISTINTOS LOS ESPECIFICADOS EN ESTE MANUAL PUEDEN CAUSAR CORTOCIRCUITO O DESCARGA ELÉCTRICA. ADVERTENCIA: SE ALERTA LA PRESENCIA DE VOLTAJE PELIGROSO DENTRO DEL SISTEMA DEL MOTOR DEL PROTOTIPO ESTAS PUEDEN PROVOCAR LESIONES CRÍTICAS EN UNA PERSONA, LEA CON MUCHA ATENCIÓN EL MANUAL. PRECAUCIÓN: NO PRECAUCIÓN:  NO SITUAR SOBRE EL EQUIPO NINGÚN TIPO DE OBJETO QUE  NO SEA LA BASE YA QUE SU FUNCIONAMI FUNCIONAMIENTO ENTO PUEDE VERSE ALTERADO DEBIDO A QUE SE PODRIAN PRODUCIR VIBRACIONES Y ESTO LE RESTARIA EFICENCIA AL MOTOR. PRECUACIÓN: PARA REDUCIR EL RIESGO DE DESCARGA ELÉCTRICA NO RETIRE LA TAPA DEL SISTEMA DE CONTROL. NO HAY PIEZAS QUE EL USUARIO PUEDA REPARAR O MANIPULAR. REFERIRSE AL PERSONAL DE SERVICIO CALIFICADO.

8.  DESPERFECTOS 11.1 GUÍA RÁPIDA DE MANTENIMIENTO  AVERÍAS: 14

 





   Normalmente las averías en este tipo de turbinas, vienen dadas por las

temperaturas elevadas en la cámara de combustión, o también, por altas temperaturas en las primeras filas de los álabes de la turbina de expansión. Mantenga un flujo de combustible constante o disminuya el mismo.   Otro tipo de averías, son del tipo de motor rotativo; vibraciones, desalineaciones, etc.

MANTENIMIENTO: 





  El mantenimiento adecuado de una turbina, es un factor clave para la vida útil de

la misma; por lo cual se debe:   Monitorizar continuamente sus parámetros, en el caso del modelo actual de turbina, serían dos; que la temperatura de salida no supere los 1300°C, y que el motor gire en un promedio de 5600 rpm.  NOTA: Se incluye en dicho modelo un multímetro multímetro con adaptación de temperatura  y termopar tipo K (de -40 hasta 1370 °C), para las mediciones de temperatura, además de un tacómetro digital con cinta reflectora, cuyo rango es de 0 rpm de 1000 rpm.   Realizar inspecciones periódicas de gases de salida (humos de combustión) y vibraciones inusuales que puedan surgir y que desequilibren la máquina; un ejemplo de gases de salida con signos de avería son del tipo humo gris, y de las vibraciones, son aquellas que hagan que el soporte sufra movimientos bruscos y anormales.  NOTA: Éste tipo de mantenimiento es solo visual para el observador, también llamado mantenimiento predictivo.  predictivo. 

11.2. GUÍA RÁPIDA PARA SOLUCIÓN DE PROBLEMAS EN CASO DE DESPERFECTOS: 

  Al superar los parámetros normales de temperatura, se debe apagar la máquina, y

 proceder a desarmar cuidadosamente, con desarmador tipo estrella, la cubierta externa del aparato y mediante inspección visual, corroborar que la cámara de combustión y los álabes estén perfectamente ajustados al eje; de no ser as así,í, solo ajústelos con el mismo desarmador y proceda a rearmar su cubierta de nuevo.





 NOTA: Por lo general, éste problema suele darse cuando no llega el suficiente exceso de aire para enfriar la temperatura de la llama, en la cámara de combustión.   Al observarse humo de combustión color gris o negro, se debe apagar la máquina, y proceder a desarmar cuidadosamente, con desarmador tipo estrella, la cubierta externa del aparato y la cámara de combustión, a continuación mediante inspección visual, corroborar que la cámara de combustión se encuentre completamente limpia y libre de impurezas que el fluido de trabajo (Aire atmosférico) pudiese haber permitido ingresar; de ser así solo límpielo con una franela húmeda y finalmente proceda a rearmar su cubierta de nuevo.  NOTA: Por lo general, este problema suele darse cuando el fluido de trabajo (Aire atmosférico), lleva muchas impurezas que impiden el correcto proceso de combustión, en la cámara del mismo nombre.  nombre. 

  Al mínimo olor a gas de uso doméstico tipo GLP, se debe apagar la máquina, y

 proceder a verificar si los seguros de abrazaderas están completamente ajustados, 15

 

de no ser así, asegúrelas con destornillador tipo plano; revise si la manguera no sufre ninguna fuga, de ser así, cámbiela de inmediato (se aconseja manguera reforzada amarilla o azul); revise si el empaque del cilindro está al revés, de ser así, cámbielo a la nueva posición; revise si existe alguna fuga en su regulador, de ser así, cambie de regulador inmediatamente.  NOTA: Por lo general, éste problema suele darse de forma común, debido al uso de este tipo de combustible.  combustible. 

12.  BIBLIOGRAFIA (2013). Diseño  Diseño y Construcción de una Turbina de Gas (Proyecto Gas (Proyecto Final F. (2013).   Sales Tudurí, F.  de Carrera para Titulación: Ingeniería Técnica Naval en Propulsión y Servicios Auxiliares del Buque). Facultad Náutica de Barcelona. Termodinámica.. Pearson Educación. Universidad de Wisconsin   Rolle, K. C. (2006). Termodinámica Platteville. Sexta Edición.   Moran, M. J., Shapiro, H. N., Boettner, D. D., & Bailey, M. B. (2010). Fundamentals (2010).  Fundamentals of engineering thermodynamics. thermodynamics. John Wiley & Sons.  Sons.    Cengel, Y. A. B., Michael, A., Campos Olguín, V., & Colli Serrano, M. T. (2003). Termodinámica Termodinámica..  13.  ANEXOS 13.1. Hojas Guía para Laboratorio 13.2. Planos

16

 

  ANEXOS o  HOJA GUÍA:

o

HOJA GUÍA DE LABORATORIO LABORATORIO PRÁCTICA 1 1.  RESUMEN/PALABRAS CLAVE 2.  INTRODUCCION 3.  OBJETIVOS 3.1.  OBJETIVO GENERAL   Determinar el funcionamiento y la utilidad de una turbina de gas que simule los  procesos y fenómenos termodinámicos que involucra un ciclo eficiente llamado Ciclo Brayton. 3.2.  OBJETIVOS ESPECÍFIC ESPECÍFICOS: OS:   Calcular y determinar los valores de las v variables ariables de temperatura, presión presión y flujo de aire al inicio y al final con ayuda de los medidores y ecuaciones correspondientes.   Analizar las ecuaciones de balance de masa y energía del ciclo brayton en la turbina de gas prototipo para calcular el trabajo producido y determinar su eficiencia.   Calcular el flujo de aire a la entrada y salida del sistema, además de determinar la relación de aire  combustible  combustible para el mismo. 4.  TEORÍA 4.1.  Turbina de gas 4.2. Compresor 4.3. Turbina. 4.4. Cámara de combustión 4.5. Eficiencia isentropica de un compresor y turbina 4.6. Multímetro 4.7. Tacómetro 5.  PARTE EXPERIMENTA EXPERIMENTAL L  5.1.  MATERIAL Y EQUIPOS    Turbina de gas (prototipo)   Cilindro de gas domestico   Válvula de gas 







 – 

 

5.2. SUSTANCIAS   Aire (g) Y REACTIVOS   Gas Doméstico (GLP) (g) 6.  PROCEDIMIENTO 6.1.  Introduzca la válvula de la turbina en el tubo plástico y conecte al cilindro de gas. Verificar que el flujo de combustible no tenga fugas. 6.2.  Una vez abierta la válvula encienda el flujo de combustible con la ayuda de un fósforo dentro de la abertura donde se encuentra el compresor. 6.3.  Conecte el enchufe a un toma corriente de 110V. Verifique que funciona correctamente el motor al encender presionando en el interruptor cuatro veces alternadamente para darle impulso. 6.4.  Posteriormente encienda el motor con presionando el interruptor en modo encendido. 6.5.  Observe los procesos y fenómenos que se producen además de las condiciones del aire que cambian durante la experiencia. 17

 

6.6.  Mida con los respectivos sensores la temperatura al inicio y al final del aire y con el tacómetro mida las revoluciones. 6.7.  Calcule con las formulas respectivas la presión y el flujo de aire teóricos y experimentales. 6.8.  Finalmente luego de realizada la experiencia cierre la válvula de gas y apague con el interruptor y desconecte el enchufe de dell toma corriente. 7.  DATOS PARÁMETRO Cp aire Cv aire Alfa Presion inicial Potencia entregada T1 densidad Constante de aire

Tabla 7-1 Datos - Teóricos VALOR

UNIDADES

7.1.  DATOS EXPERIMENTALES 7.1-1 DatosTabla Experimentales PARÁMETRO T2 Velocidad del aire Sin combustión rpm

VALOR

UNIDADES

Con combustión rpm T salida [°C]

7.2.  CÁLCULOS   CALCULO DEL CALOR SUMINISTRADO  

              ̇  

   

 

 

Ec. 7.2.-1

  DETERMINACION DEL FLUJO VOLUMÉTRICO    



 



 ̇    ∗ 

Ec. 7.2.-2 

FLUJO MÁSICO

 ̇     ̇  ∗    

18

 

 

Ec. 7.2.-3   CALCULO DE LA ENTALPÍA



 ̇     ̇   ∗   

  CALCULO DEL CALOR TOTAL 



 

Ec. 7.2.-4

 ̇     ̇ 

 

Ec. 7.2.-5   CALCULO DE LA PRESIÓN DE SALIDA Y TEMPERATURA IDEAL.



(Asumimos un proceso politrópico)  RELACIONES ISENTROPICAS

−  (  )  ( )−   (  )  ( )−   ∝ (  )      

 

 

Ec. 7.2.-6

 

Ec. 7.2.-7   CÁLCULO DEL TRABAJO SIN COMBUSTIÓN



       

Ec. 7.2.-8

  CÁLCULO DEL TRABAJO PRODUCIDO POR LA CÁMARA DE



COMBUSTIÓN Y COMPRESOR

+= −   

Ec. 7.2.-9

 ̇     ∗ ̇    

 

Ec. 7.2.-10

  CÁLCULO DEL FLUJO DEL GAS



   ̇  ̇     19

 

Ec. 7.2.-11

 

  CÁLCULO DEL FLUJO VOLUMÉTRICO DEL GAS  



 ̇    ̇    

Ec. 7.2.-11

8.  RESULTADOS PARÁMETRO Calor Trabajo Flujo Volumétrico Potencia Calorífica Suministrada Presión de salida Temperatura ideal

Tabla 8-1 Resultados VALOR

9.  DISCUSION 10.  CONCLUSIONES 11.  REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 12.  ANEXOS 

20

UNIDADES

 

PLANOS

Figura 14: Dimensiones principales del difusor con álabes  

Figura 15: Dimensiones de la unión del difusor y el eje

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Figura 16: Dimensiones principales de las Hélices

Figura 17: Dimensiones principales del compresor 22

 

Figura18: Dimensiones del Difusor

Figura 19: Dimensiones del eje con la cámara de combustión

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Figura 20: Dimensiones principales de la carcasa de la turbina de gas

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