Turbina A Gas
Turbina A Gas
Turbina A Gas
C
=0.865kg/lt
V
c
=2lt
C
p
a=0.24 BTU/lb (aire)
C
p
g=0.275 BTU/lb (gases)
CLCULOS
Los clculos mostrados son para el primer punto los dems puntos se realizaran de manera
anloga
1.) FLUJO DE AIRE (m
a
)
P
A
= 14.7 Psia
T
A
= 29 C = 544.2 R
P
A
P
o
= 7.1 pulgH
2
O = 0.2562Psia
P
o
= 14.7 0.2562 = 14.4438 Psia
Reemplazando datos en:
71 . 1 43 . 1
3 . 31
|
|
.
|
\
|
|
|
.
|
\
|
=
A
o
A
o
A
A
P
P
P
P
T
P
ma
Remplazamos los valores para los 5 puntos:
T
A
(R) m
a
(lb/s) P
0
(psi) P
A
-P
0
(psi)
544.2 1.3649 14.4438 0.2562
544.2 1.3649 14.4438 0.2562
544.2 1.3459 14.451 0.2490
544.2 1.3082 14.465 0.2345
546 1.2756 14.476 0.2237
2.) FLUJO DE COMBUSTIBLE (mc)
Densidad del Kerosene
l
lb
l
kg
c
907 . 1 865 . 0 = = p
V
c
= 2 litros
t = 220s
s
lb
t
V
mc
c c
0187 . 0 = =
p
, para los dems casos
t(segundos) m
c
220 0.01733636
230 0.01658261
193 0.01976166
170 0.02243529
155 0.02460645
3.) FLUJO DE GASES (mg)
mg = ma + mc
m
c
(lb/s) m
a
(lb/s) m
g
(m
c
+ m
a
)
0.01733636 1.3649 1.38223636
0.01658261 1.3649 1.38148261
0.01976166 1.3459 1.36566166
0.02243529 1.3082 1.33063529
0.02460645 1.2756 1.30020645
4.) RELACIN AIRE/COMBUSTIBLE (r a/c)
mc
ma
r
c a
=
/
m
c
(lb/s) m
a
(lb/s) r a/c
0.01733636 1.3649 78.7304832
0.01658261 1.3649 82.3091178
0.01976166 1.3459 68.1066267
0.02243529 1.3082 58.3099216
0.02460645 1.2756 51.8400663
5.) POTENCIA
Potencia al freno (BHP)
Para el freno hidrulico Froude
4500
FxN
BHP=
Donde 4500 es la constante del freno
Si: N = 3000 rpm
N(rpm) F(lb) BHP(HP)
3000 4.8 3.2
3000 14.8 9.86666667
3000 28.2 18.8
3000 52.4 34.9333333
3000 70.2 46.8
Potencia a la friccin
Con RPM en freno = 3000 rpm
Relacin de transmisin = 46/3
RPM en el eje del compresor = rpm x 46000
3
46
3000 =
Para esta velocidad en el eje del compresor
Se tienes que segn el manual:
FHP = 5.1HP
6.) CONSUMO ESPECFICO DE COMBUSTIBLE (cec)
BHP
mc
cec = ; con datos anteriores
cec = 15.405
HP hr
lb
punto Cec(lb/hrxHP)
1 19.5034091
2 6.05041128
3 3.78414728
4 2.31203413
5 1.89280397
7.) RELACIN DE COMPRESIN (Rp)
1
2
p
p
Rp =
a) calculo de p
2
: de laboratorio obtenemos
) ( 23 ) (
2
Psig Psig P =
P
2
(Psia) = P
2
(Psig) + P
A
= 23+ 14.7 = 37.7 Psia
b) calculo de p
1
:
p
1
= p
A
- AP; p
A
= 14.7 Psi
Calculo de Ap (perdida de presin)
En la curva N2 del manual para un valor de pf obtenemos un valor para Ap
m
a
= 1.3649lb/s
T
A
= 302 K
P
A
= 14.7 Psi
6135 . 1 = =
A
A
P
T ma
Pf
Del grafico N2 y con el valor de pf
Ap = 0.11136
Entonces p
1
= 14.58864 Psia
5842025 . 2
1
2
= =
p
p
Rp
Anlogamente hacemos lo mismo para los dems casos:
Pf P P2 P1 R
1.61356688 0.11136 37.7 14.58864 2.5842025
1.61356688 0.11136 37.7 14.58864 2.5842025
1.59110533 0.105 38.7 14.595 2.651593
1.54653688 0.0954 39.7 14.6046 2.7183216
1.51049221 0.0922 39.7 14.6078 2.7177261
8.) RELACIN DE EXPANSIN (E)
f p p P
p p p
P
p
E
A A
)] ( [
) (
7
4 2 2
6
4
+
= =
Calculo de f (factor de prdida de presin del escape)
En el grfico N3 con T
6
= 487C y 46000 rpm
Tenemos f= 1.0398
Remplazamos las presiones en la expresin anterior para obtener E
N(rpm) f
P2-
P4(psi)
P2(psi) P4(psi)
P7-
PA(psi)
P7(psi) E
46000 1.0398 2.0628 37.7 35.6372 -0.07218 14.62782 2.34301006
46000 1.0423 1.8663 37.7 35.8337 -0.07218 14.62782 2.35027839
46000 1.046 1.9646 38.7 36.7354 -0.0866 14.6134 2.40326586
46000 1.0475 2.0628 39.7 37.6372 -0.07579 14.62421 2.45691912
46000 1.049 1.8663 39.7 37.8337 -0.0469 14.6531 2.46135249
9.) EFICIENCIA ADIABATICA DEL COMPRESOR (n
c
)
Para el primer punto T
A
=29C
a) T
1
= T
A
15 = 84.2 15 = 69.2 F = 528.87 R
b) T
2I
(tempatura 2 ideal)
=
k
k
R T
1
1
; k = 1.4
Entonces T2I = 693.6729 R
c) T2 = 130C = 725.67 R
Con los clculos obtenidos remplazamos en la expresin:
1 2
1 2
T T
T T
I
c
= n
n
c
= 83.741%
Anlogamente para los dems puntos:
T1(R) T2i(R) T2(R) nc(%)
528.87 693.672933 725.67 83.741328
528.87 693.672933 743.67 76.7238983
528.87 698.793858 743.67 79.1079413
528.87 703.773687 752.67 78.1517817
530.67 706.124768 752.67 79.0336793
10.) EFICIENCIA ADIABATICA DE LA TURBINA (n
t
)
a) Calculamos T
4
-T
5
con la siguiente expresin:
mg
ma
T T
c
c
T T
pg
pa
) (
1 2 5 4
=
Siendo:
C
p
a=0.24 BTU/lb (aire)
C
p
g=0.275 BTU/lb (gases)
Entonces T
4
T
5
= 169.598 R
b) Calculamos T
5
-T
6
con la siguiente expresin:
pg
c mg
FHP BHP
T T
+
= 707 . 0
6 5
=15.4376 R
Como dato tenemos que:
T
6
=1049.67 R
Remplazamos y obtenemos: T
4
=1234.7062 R
T
6i
=
k
k
E
T
1
4
= n = 78.694%
T4-T5(R) T5-T6(R) T6(R) T5(R) T4(R) T6i nt(%)
169.59856 15.4376965 1049.67 1065.1077 1234.70626 999.574771 78.6948017
185.211623 27.8526412 1121.67 1149.52264 1334.73426 1079.72383 83.5511947
184.749172 44.9926429 1193.67 1238.66264 1423.41182 1145.10687 82.5503887
192.023215 77.3480615 1238.67 1316.01806 1508.04128 1206.56146 89.3496879
190.078815 102.622304 1355.67 1458.2923 1648.37112 1318.24748 88.6640897
11.) EFICIENCIA TRMICA DELCICLO TERICO (n
te
)
Calculamos de la siguiente manera:
k
k
te
R
1
1
1
= n = 22.76%
Siendo k=1.4
n
te
(%)
1 23.7583065
2 23.7583065
3 24.3170313
4 24.8525636
5 24.8478595
12.) EFICIENCIA TOTAL DE LA PLANTA (n
r
)
mc Pc
BHP
r
.
707 . 0
= n ; Pc = 18050 BTU/lb
Entonces: n
r
= 0.9153 %
n
r
(%)
1 0.72299314
2 2.33055744
3 3.72629022
4 6.09888533
5 7.44970491
13.) EFICIENCIA DE LA COMBUSTIN (n
c
)
Qc
T T c mg
pg
c
) .( .
2 4
= n
Siendo:
n
c
= 61.83%
n
c
(%)
1 61.8341664
2 75.0209845
3 71.5680545
4 68.2563759
5 72.1077477
14.) TRABAJO NECESARIO PARA EL COMPRESOR (W
cp
)
W
cp
= ma.c
pa
.(T
2
T
1
)
W
cp
= 64.466 BTU/s
Anlogamente para los dems puntos:
Wcp(BTU/s)
1 64.4669568
2 70.3633248
3 69.3838368
4 70.2660384
5 67.963968
15.) TRABAJO QUE SE ENTREGA A LA TURBINA (W
t
)
W
t
= mg.c
pg
.(T
4
T
6
)
W
t
=70.335 BTU/s
Anlogamente para los dems puntos:
Wt(BTU/s)
1 70.3350568
2 80.9447581
3 86.2811368
4 98.5696051
5 104.657268
16.) RELACIN DE TRABAJO COMPRESOR-TURBINA
R
c/t
=
t
cp
W
W
R
c/t
= 0.9165
Anlogamente para los dems puntos:
r(cp/t)
1 0.91656934
2 0.86927587
3 0.80415997
4 0.71285706
5 0.64939559
GRAFICAS
Eficiencia adiabtica del compresor vs BHP
Eficiencia adiabtica de la turbina vs BHP
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
0 10 20 30 40 50
nc(%)
BHP (HP)
n
c
(
%
)
78
80
82
84
86
88
90
92
0 10 20 30 40 50
nt(%)
n
t
(
%
)
BHP (HP)
Eficiencia de la combustin vs BHP
Eficiencia trmica del ciclo terico vs BHP
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 10 20 30 40 50
nc(%)
n
c
(
%
)
BHP (HP)
23.6
23.8
24
24.2
24.4
24.6
24.8
25
0 10 20 30 40 50
nte(%)
BHP (HP)
n
t
e
(
%
)
Eficiencia total de la planta vs BHP
Consumo de combustible vs BHP
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 10 20 30 40 50
nr(%)
BHP (HP)
n
r
(
%
)
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0 10 20 30 40 50
mc
m
c
(
l
b
/
s
)
BHP (HP)
Consumo de aire vs BHP
Relacin aire combustible vs BHP
1.27
1.28
1.29
1.3
1.31
1.32
1.33
1.34
1.35
1.36
1.37
1.38
0 10 20 30 40 50
ma
m
a
(
l
b
/
s
)
BHP (HP)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 10 20 30 40 50
r a/c
r
a
/
c
BHP (HP)
Consumo especifico de combustible vs BHP
Relacin trabajo compresor/ trabajo turbina vs BHP
0
5
10
15
20
25
0 10 20 30 40 50
Cec(lb/hrxHP)
BHP (HP)
c
e
c
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0 10 20 30 40 50
r(cp/t)
BHP (HP)
r
(
w
c
/
w
t
)
CONCLUSIONES
Analizando cada una de las graficas se concluye que a medida que aumenta la
potencia al eje aumenta las eficiencias.
Segn la grafica m
c
vs BHP se concluye que a medida que ingresa ms m
c
la
potencia al eje se incrementa.
La eficiencia real de la planta es baja menor al 10% esto es debido a las prdidas
en todo el ciclo, pero principalmente es ocasionada por las perdidas en el
proceso de combustin, produciendo gran prdida de calor.
RECOMENDACIONES
Se tiene que utilizar orejeras porque la turbina a gas produce un mucho ruido,
esto es debido a la friccin y a la diferencia de presiones.
Se debe tener en cuenta las unidades al hacer los clculos.
BIBLIOGRAFIA
Manual de Laboratorio II. Facultad de Ingeniera Mecnica.
ANEXOS
VENTAJAS DE LA TURBINA A GAS
a) Muy buena relacin potencia vs. peso y tamao.
b) Bajo costo de instalacin.
c) Rpida puesta en servicio.
d) Es una mquina rotante (no tiene movimientos complejos como son los
movimientos roto alternativos de los motores de combustin interna).
e) Al ser una mquina rotante el equilibrado de la misma es prcticamente
perfecto y simple, a diferencia de mquinas con movimiento alternativos.
f) Menos piezas en movimiento (comparado con los motores de combustin
interna).
g) Menores prdidas por rozamiento al tener menores piezas en movimiento.
h) Sistema de lubricacin ms simple por lo expresado anteriormente.
I.)Bajas presiones de trabajo (es la mquina trmica que funciona a ms baja
presiones).
j) El proceso de combustin es continuo y se realiza a presin constante en la
cmara de combustin (diferente a los motores de combustin interna).
k) Pocos elementos componentes: compresor, cmara/s de combustin y
turbina propiamente dicha.
l) No necesitan agua (diferente a las turbinas a vapor que requieren de un
condensador).
m) Permiten emplear diferentes tipos de combustibles como kerosene, gasoil,
gas natural, carbn pulverizado, siempre que los gases de combustin no
corroan los labes o se depositen en ellos.
n) El par motor es uniforme y continuo.
DESVENTAJAS DE LA TURBINA A GAS
Bajo rendimiento trmico (alto consumo especfico de combustible) debido a:
1. Alta prdida de calor al ambiente que se traduce por la alta temperatura de
salida de los gases de escape por chimenea, entre 495C a 560 C
2. Gran parte de la potencia generada por la turbina es demandada por el
compresor axial, en el orden de las partes, o sea un 75% de la potencia
total de la turbina.
CLASIFICACION DE LAS TURBINAS A GAS
Las turbinas a gas, al igual que las turbinas a vapor, se clasifican en:
1. Turbinas a gas de accin
2. Turbinas a gas de reaccin
En las turbinas de accin la cada total de presin de los gases de combustin
se produce en las toberas que estn ubicadas antes del/los estadios mviles y
fijos de la misma.
De esta manera se produce una transformacin de energa de presin a
energa de velocidad (energa cintica) en los gases.
La presin de los gases dentro de la turbina, estadios mviles y fijos,
permanece constante.
En las turbinas de reaccin, en cambio, la cada de presin de los gases de
combustin se produce tanto en las toberas, como en los estadios mviles y
fijos que componen la misma.
La presin de los gases dentro de la turbina, estadios mviles y fijos, va
disminuyendo.
Tambin las turbinas a gas se clasifican de acuerdo al nmero de estadios
mviles, en cuyo caso pueden ser:
1. Turbinas a gas mono etapa (un solo estadio mvil)
2. Turbinas a gas multi etapas (varios estadios mviles)
Igualmente cabe otra clasificacin, la cual est en funcin del nmero de ejes
de la turbina, pudiendo en este especto clasificarlas como:
1. Turbinas a gas de un solo eje
2. Turbinas a gas de dos ejes