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• Alex Medina Zabalaga

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UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA MECÁNICA

GUIA DE PRÁCTICA: LABORATORIO VIRTUAL DE TURBINA A GAS

Sartenejas, Septiembre de 2011

1. INTRODUCCIÓN Este laboratorio virtual utiliza el entorno de programación MatLab para ofrecer una simulación del banco de pruebas de Turbina a gas “Deutz T216” ubicado en el Laboratorio de Conversión de Energía Mecánica de la Universidad Simón Bolívar, y constituye en una práctica alternativa a la práctica de Laboratorio “Turbinas a Gas” perteneciente al curso “Turbomáquinas Térmicas” de la misma casa de estudios. La turbina a gas es una máquina motriz que tiene múltiples aplicaciones en la Generación de Potencia, la propulsión aeronáutica, naval, etc. Su mayor limitación la constituye su baja eficiencia frente a las Turbinas de Vapor. Sus mayores ventajas son: 

Tiempo de encendido muy corto.



Alta relación potencia/peso en comparación con otras Turbomáquinas térmicas.



Escasa lubricación y desgaste debido a que no hay piezas en movimiento alternativo.



Mantenimiento reducido.



Capacidad de trabajar en ciclo combinado con turbinas de vapor para obtener una gran eficiencia del conjunto.

La turbina de gas consiste, en su esquema más sencillo (ciclo abierto simple), de un compresor centrífugo, una cámara de combustión y un rodete radial.

2. OBJETIVOS Los objetivos de esta práctica son: Establecer para el régimen de generación de potencia: 1. Campo de funcionamiento de la turbina. 2. Campo de funcionamiento del compresor. En este ensayo, el trabajo neto de expansión de los gases en la turbina es mayor que el requerido por el compresor de forma tal de tener una potencia neta aplicada en el eje de salida.

3. DESCRIPCIÓN DEL BANCO DE PRUEBAS Y EL ENTORNO VIRTUAL La práctica virtual de laboratorio se realiza por medio de un programa de computadora realizado en el entorno MatLab que simula el comportamiento del banco de pruebas DEUTZ T216 que se encuentra ubicado en el Laboratorio de Conversión de Energía Mecánica. A continuación se explican las partes del banco de pruebas y posteriormente su adaptación al entorno virtual. 3.1 Turbina a Gas: La turbina a fas consiste en su esquema más sencillo (ciclo abierto simple, en un compresor centrífugo, una cámara de combustión y un rodete radial. Al compresor entra aire atmosférico donde es comprimido a una presión de varias atmósferas, pasa luego a una cámara de combustión donde el combustible se está inyectando de forma continua y como resultado de la combustión se produce un aumento de la temperatura, es un proceso que se puede considerar que ocurre a presión constante. Estos gases calientes entran en la turbina donde serán expandidos a una presión ligeramente superior a la atmosférica, al mismo tiempo que realizan trabajo sobre el rotor de la turbina. La potencia generada por la turbina se utiliza para accionar el compresor y según el tipo de turbina también puede suministrar potencia adicional a un eje, para accionar un generador eléctrico. Especificaciones de la turbina: 

Potencia máxima nominal del eje: 100CV.



Velocidad del rotor de la turbina: 30.000 a 50.000 rpm.



Arranque Completo: 30.000 rpm.



Flujo de aire: 0,9 kg/seg.



Relación de compresión del compresor: 2,8.



Temperatura máxima de salida de los gases: 650 °C.



Peso bruto: 80 kg.

3.2 Freno Eléctrico con Balanza: El freno eléctrico marca ZOELLNER tipo A 220, refrigerado por agua y alimentado por 220 voltios AC. 60 ciclos, opera en ambas direcciones de rotación. El freno está

conectado a una balanza de doble péndulo con escala graduada de 0-300N y apreciación de 1N. 3.3 Tablero de Control: El tablero de control posee todas las conexiones necesarias para el arranque y control de la turbina e indicadores de seguridad tanto para la turbina como del freno. Los instrumentos que posee son: 

Control de marcha.



Tacómetro.



Reloj.



Termómetro de los gases de salida.



Interruptor principal.



Interruptor de encendido.



Lámparas indicadoras.

Además en su interior se encuentra la batería y el interruptor principal de suministro eléctrico con protector térmico. 3.4 Armario con Manómetros y Panel de Medición: En el armario se encuentran conectados tres tubos manométricos: 

El primer manómetro usa agua y se emplea para medir la caída de presión en la tobera de entrada, lo que permite calcular el flujo másico de aire.



El segundo manómetro también de agua se usa para medir la presión en la entrada de compresor.



El tercer manómetro usa mercurio y se emplea para medir la presión de salida del compresor.

En el panel de medición se encuentran indicadores de temperaturas leídas por termocuplas ubicadas a la entrada del compresor, a la entrada de la cámara de combustión, y en el escape de los gases de la turbina. Posee también dos indicadores de presión, uno para el lubricante y otro para el combustible. También hay un contador de impulsos digital con un excitador de 18 impulsos por revolución. Este contador está conectado a la turbina antes de la caja reductora y posee cuatro escalas de medición: 10/13, 173, 1 y 0,1 seg.

Para medir el consumo de combustible existe una bureta graduada para volúmenes de 100 y 500 ml. En la parte superior del armario se encuentra un tanque con 50 litros de capacidad con su respectivo indicador de nivel.

3.5 Entorno virtual en MatLab MatLab es un entorno de programación que resuelve problemas matemáticos a través del cálculo y dominio de matrices. El laboratorio virtual realizado en MatLab para esta práctica consta de tres partes fundamentales: 

Un modelo en Simulink (.mdl) que simula el comportamiento del equipo.



Una interfaz de usuario gráfica (.fig) que da un entorno visual a los datos.



Un código “m” que controla la comunicación entre los componentes anteriores.

La interfaz de usuario representa, por medio de dibujos, los instrumentos que serán utilizados durante la práctica de laboratorio, los cuales son: 

Dos (2) diales que controlan el flujo másico de combustible y la fuerza sobre la balanza.



Una representación gráfica de la

bureta de medición de cantidad de

combustible, y un indicador del tiempo en el cual debería vaciarse la bureta original. 

Una representación gráfica de los manómetros en los cuales, al igual que el caso anterior, las alturas de los mismos se encuentran indicadas.



Tres botones principales: o Un botón de encendido. o Un botón de apagado. o Un botón para cerrar el programa.



Además, existe un botón que permite abrir esta guía directamente desde el programa en formato PDF y un botón que abre una breve explicación sobre el uso del programa.

4. INICIO Y PUESTA EN FUNCIONAMIENTO DE LA APLICACIÓN Para poder realizar la práctica virtual en el entorno MatLab se deben seguir los siguientes pasos:

Abrir el entorno MatLab y asegurarse de que los archivos VirtualLab.m, VirtualLab.fig, modelo1.fig y fondo1.jpg se encuentran en el directorio de MatLab, cuyo navegador usualmente está ubicado a la izquierda de la pantalla. Escribir VirtualLab considerando las mayúsculas, y presionar el botón ENTER del teclado. De esta manera aparecerá la interfaz gráfica del usuario con la cual se efectuará toda la práctica. En dicha interfaz gráfica, todos los valores estarán en “0” y los diales que marcan la cantidad de combustible y la fuerza en el freno estarán deshabilitados indicando que el equipo se encuentra apagado. Si el profesor especifica unas condiciones ambientales, presionar el botón Ambiente con el cual se abre una segunda ventana que permite modificar los valores de la presión atmosférica y la temperatura ambiental. Luego de modificar dichos valores, presionar Guardar y Cerrar, con lo cual se cerrará la ventana y se podrá realizar la práctica con los valores especificados. De no establecerse dichas condiciones, la práctica se realizará con los valores predeterminados. Hacer click en el botón Encender el equipo ubicado en la parte inferior, mediante el cual la simulación correrá por primera vez sin ninguna fuerza en el freno, se activarán los diales para la fuerza y la masa de combustible y se activará el botón de Servicio/Parada. A partir de este momento podrá mover los diales de cantidad de combustible y fuerza del freno para obtener los valores necesarios, recordando siempre que si la temperatura de los gases de salida (T04) sobrepasa los 650°C (923 K) deberá presionar el botón de Servicio/Parada el cual apagará el equipo y deberá iniciarlo nuevamente. Luego de haber tomado las mediciones necesarias, presione el botón Servicio/Parada para apagar el equipo dentro del programa. Inmediatamente se abrirá un archivo de texto en el block de notas con los resultados de la práctica. Usted puede guardar una copia de este archivo para usarlo posteriormente, o ignorarlo, cerrando el block de notas. De último, presione el botón Cerrar del laboratorio virtual.

Precauciones una vez que la máquina ha arrancado:



No acelerar la turbina bruscamente.



Chequear la presión de aceite. (No debe superar el rango de 1,2 a 6 atm.)



Al cargar la máquina, verificar que la palanca de seguridad del freno esté desconectada.

5. ENSAYOS 5.1 Campo de Funcionamiento de la Turbina Para determinar el campo de funcionamiento de la turbina se realizan diferentes ensayos a ciertas r.p.m. de la máquina que se han de mantener constantes, y en cada una de ellas se varía la carga hasta que la temperatura de los gases a la salida alcance su valor máximo admisible, es decir unos 650 °C. (923 K.) Se necesitan determinar los siguientes parámetros: 5.1.1

Potencia al freno “Pf” (1)

(2)

Donde: F: Fuerza sobre la balanza del freno (N) nt: # de r.p.m. de la turbina. nf: # de r.p.m. del freno, que es una variable a calcular.

5.1.2

Consumo de combustible “Mc” (3)

Donde: V: volumen de la pipeta = 100 [ml] t: tiempo de vaciado de la pipeta [seg] : densidad del combustible = 0,85 [g/m3]

5.1.3

Consumo específico de combustible “Mec”

(4)

Donde: Pf: Potencia al freno [KW] Mc: Consumo de combustible [g/seg]

En la práctica virtual la temperatura de salida de los gases es indicada directamente por el programa y llamada T04. Sin embargo, en la práctica de turbina a gas original este valor debe ser calculado como un promedio de la temperatura medida por 4 termocuplas ubicadas en sitios diferentes del escape de la turbina. Aquí se presenta la ecuación que se usaba originalmente:

5.1.4

Temperatura de salida de los gases “T04”: (5)

Donde T1, T2, T3 Y T4 son las temperaturas de salida de los gases dadas por las termocuplas correspondientes, medidas experimentalmente. Una vez calculados estos parámetros el campo característico de la turbina vendrá dado por la relación entre Pf vs. r.p.m. para Mc y Tsg constantes. Con los resultados obtenidos se han de trazar las siguientes gráficas: 1. Para r.p.m. constante: 1.1

Pf vs. Mc.

1.2

T04 vs. Mc.

1.3

Pf vs. Mec.

2. Para Mc y T04 constantes: 2.1

Pf vs. r.p.m. extrayendo los puntos de 1.1 y 1.2.

5.2 Campo Característico del Compresor Como objetivo de este ensayo se busca determinar la relación entre la eficiencia del compresor y el consumo másico de aire vs. la relación de compresión para velocidad de giro constante de la máquina. Se define como relación de compresión del compresor: (6)

Donde: p02: Presión medida por el manómetro de mercurio conectado a la salida del compresor (Δh2 en el tablero indicador de la turbina). p01: Presión medida por el manómetro de agua conectado a la entrada del compresor (Δh1 en el tablero indicador de la turbina).

Para la eficiencia del compresor tenemos: [( ) (

)

⁄

( (

]

(7)

⁄ ) )

Donde: K: Valor obtenido con la temperatura de entrada del aire. K=1,4 (por ser la temperatura de entrada fija.) R: Ctte. De los gases; para el aire R = 287 J/kg.K. Tin: Temperatura del aire a la entrada del compresor. Tin = 293,63K.

Dvn: Diámetro exterior del compresor. Dvn = 0,25m. &ev: Coeficiente de presión del compresor. &ev = 1,7. Rc: Relación de compresión del compresor, calculada en la fórmula (6). nt: Número de revoluciones por minuto de la turbina. π = 3,14159.

Sustituyendo todos estos valores en la fórmula (7) se obtiene la eficiencia del compresor.

El flujo másico de aire que pasa a través del compresor se calcula utilizando la ecuación de continuidad: √

(8)

mf: Flujo másico de aire. [m3/seg] α: Coeficiente de la tobera de medición; α = 0,82. A2: Área de garganta; A2 = 0,0143m2. K1: Constante. K1 = 0,01956. Δh: Caída de presión medida por el manómetro de agua conectado a la tobera.

Sustituyendo los valores correspondientes en (8) se llega a: √

5.2.1

(9)

Gráficas a realizar:

1. Para r.p.m. constante: 1.1

rc vs. Pf.

1.2

mf vsPf.

2. Para Pf constante: 2.1

Eficiencia del compresor vs. nf.

3. Para r.p.m. y Pf constantes: 3.1

Eficiencia del compresor vs. rc combinando los puntos dados en las gráficas 1.1 y 1.3.

3.2

Rc vs. mf combinando los puntos de las gráficas 1.1 y 1.2.

Fig. 1. Interfaz Gráfica de Usuario del Laboratorio Virtual de Turbina a Gas.

Fig. 2.