Estudio del efecto del aislamiento térmico en el comportamiento de una turbina a gas de tamaño mediano

El intercambio de calor en turbinas a gas radiales ha sido un tema muy poco estudiado, aunque paradójicamente, tienen un uso muy frecuente en la turboalimentación de vehículos.

Con el fin de guiar un estudio sobre el efecto del intercambio de calor en turbinas radiales, se procedió a acondicionar el banco de Turbina a Gas del Laboratorio de Conversión de Energía Mecánica (LABCEM) de la Universidad Simón Bolívar (USB), con el fin de probar que la adiabaticidad (ausencia de intercambio de calor con el ambiente) tiene un efecto sobre el comportamiento de la turbina a gas.

Para demostrar esta hipótesis, se procedió a aislar térmicamente la cara más externa del expansor de la turbina a gas y se ensayó la misma en diferentes puntos de operación a carga parcial y bajas velocidades de giro.

Se obtuvo que el comportamiento de los diferentes componentes de la turbina a gas (compresor y turbina radial) mostraban un deterioro importante en su comportamiento, manifestándose a nivel global en una disminución de la potencia neta producida por la turbina y un incremento del consumo de combustible.

Estos resultados permitieron proseguir un estudio computacional sobre la aerotermodinámica de las turbinas radiales.

Introduccion

Un de los problemas más grandes que confrontan los fabricantes de turbinas a gas es la predicción aceptable del intercambio de calor en la turbina con el fin de optimizar su funcionamiento, sobre todo a cargas parciales. La evaluación de las pérdidas de calor sigue siendo un tema poco conocido, aunque se trata de una característica específica de las turbomáquinas térmicas.

El propósito de este trabajo es ilustrar el efecto que tienen las pérdidas de calor en el funcionamiento de una turbina a gas a cargas parciales. Para ello se estudió la operación de una turbina de gas aislada termicamente, es decir, sin intercambio de calor del expansor radial de la turbina con el medio ambiente. Para este trabajo se utilizó la Turbina a Gas del Laboratorio de Conversión de Energía Mecánica de la Universidad Simón Bolívar.

En la literatura son pocos los trabajos que conciernan directamente al intercambio de calor en turbinas a gas de configuración radial, muchos de los trabajos se refieren a turbinas de tipo axial (Dutoya (1989,1995), Gehrer et al (1999), Giel et al (2000), Korakianitis et al (2002), Tallman (2004)). Algunos de estos trabajos se refieren más a estudios numéricos sobre el modelaje de transferencia de calor validados con evidencia experimental, que a evaluar el efecto que tiene la transferencia de calor sobre el comportamiento de la turbina.

En el caso de las turbinas radiales, los estudios se refieren sobre todo a grupos turbocompresor utilizados en la turboalimentación de vehículos (Gayvallet (1987), Yong (2001), Lavi (1991), Jones (1991)). Los trabajos de Bohn and Kusterer (2003) y Bohn et al (2003), sobre un turbocompresor de automovil son quizás los más cercanos al caso de este estudio, ya que establecen que las pérdidas de calor en la turbina radial producen un deterioro del rendimiento del compresor y que el intercambio de calor entre el compresor y la turbina está directamente influenciado por la temperatura de entrada a la turbina y por la geometría del compresor y que la radiación tiene poca influencia sobre el intercambio de calor total.

DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO

El banco de prubas de turbina a gas es marca Klöckner-Humboldt-Deutz modelo T-216, (ver Figura 1), con una etapa de compresión y expansión, de flujo radial y sin regeneración, equipada de una cámara de combustión tubular, en contra flujo y dispuesta de manera tangencial.

Figura 1. Diagrama de Funcionamiento Turbina a Gas Deutz T-216.

Las características de funcionamiento de la turbina a gas son presentadas en la Tabla 1.

Tabla 1: Características de Funcionamiento de la Turbina a Gas Deutz T-216 (1975)

CARACTERIZACIÓN EXPERIMENTAL

•  AISLAMIENTO TÉRMICO

Con el fin de evaluar el efecto del intercambio de calor con el ambiente en el funcionamiento de una turbina a gas, se procedió a evaluar el funcionamiento de la misma en la condición de funcionamiento normal, sin aislamiento térmico.

Posterior a las pruebas iniciales, se realizó un estudio previo sobre la posibilidad de aislar térmicamente la turbina. De la Figura 1 puede observarse que la turbina radial se encuentra contenida en un compartimiento más grande, que sirve de colector del aire que proviene del difusor del compresor, antes de dirigirse a la cámara de combustión.

La primera opción era aislar directamente la voluta de la turbina radial, ya que mediciones efectuadas entre la salida del compresor y el interior de compartimiento mostraban diferencias de temperatura de alrededor de 20ºC, lo que indica una influencia combinada del calor que sale por la voluta de la turbina radial con la proximidad de la cámara de combustión, pero esta opción fue desechada debido a que la turbina a gas era susceptible de sufrir daños.

La alternativa seleccionada fue el aislamiento externo del compartimiento que contiene la turbina radial y la cámara de combustión, tal como se muestra en la Figura 2. El aislante, en lámina, fue colocado alrededor del dispositivo y recubierto con adhesivo de alta resistencia.

Como los posibles efectos del aislamiento sobre en funcionamiento de la turbina a gas eran desconocidos y para salvaguardar la integridad de la máquina, se decidió limitar el rango de velocidades de rotación estudiadas hasta 40000 rpm, que aunque se encuentra alejado del punto nominal de funcionamiento, permitiría ilustrar el efecto a cargas parciales, que se supone la condición más desfavorable.

Figura 2. Aislamiento de la Turbina a Gas Deutz T-216.

•  COMPORTAMIENTO DE LA TURBINA A GAS.

La Figura 3 muestra las curvas de rendimiento en función de la potencia al freno para diferentes velocidades de rotación equivalentes para ambas configuraciones de operación.

Lo primero que destaca es el rendimiento tan bajo que presenta la turbina a gas, el cual puede atribuirse al diseño espacial de la misma, concebida para fines académicos, pero aún así es representativa de los rendimientos de la época. Igualmente puede observarse una pequeña disminución del rendimiento, no mayor del 10%, de la turbina para la condición de funcionamiento con aislamiento térmico, que parece acentuarse cuando se incrementa la velocidad de rotación. También puede observarse que a medida que aumenta la velocidad de rotación disminuye la potencia al freno producida, lo que indica que se alcanza la máxima temperatura de los gases de escape a menor carga.

Figura 3. Rendimiento térmico en función de la potencia al freno para diferentes velocidades de rotación Turbina a Gas Deutz T-216.

Para mejor ilustrar lo dicho anteriormente, en la Figura 4 se muestra un gráfico de temperatura de salida de los gases de la turbina en función del consumo de combustible, parece evidente que el gas que sale de la turbina está más caliente en la configuración con aislamiento térmico, se observa también un aumento del consumo de combustible, de la misma forma puede observarse que la diferencia de temperatura de salida de los gases entre ambas configuraciones es mayor a medida que aumenta la velocidad de giro.

Se pueden exponer dos hipótesis para explicar este comportamiento, la primera es que la disminución de intercambio de calor con el exterior induce un aumento de la temperatura de entrada al rotor del expansor, que no se traduce en un aumento del trabajo producido por el expansor, ya que no hay evidencia de un cambio en las condiciones aerodinámicas en la entrada del mismo, entonces si se produce el mismo trabajo la temperatura a la salida será más alta.

La segunda hipótesis, es que la transferencia de calor se dirija, preferiblemente, hacia el compresor provocando una disminución de su rendimiento, lo que trae como consecuencia un aumento en el consumo de combustible. Posiblemente la explicación completa del fenómeno sea una combinación de las hipótesis propuestas, pero se carecen de medios experimentales para cuantificar la influencia de cada una de ellas.

Figura 4. Temperatura de salida de los gases en función del consumo de combustible para diferentes velocidades de rotación Turbina a Gas Deutz T-216.

Para sostener esta última afirmación, se puede observar en la Figura 5 un gráfico de la potencia al freno en función del consumo de combustible para las dos condiciones de funcionamiento, donde se evidencia que para mantener la misma potencia al freno se requiere un aumento del consumo de combustible, en la condición de aislada termicamente y que el efecto es más importante con el aumento de la velocidad de rotación. El incremento del consumo de combustible se puede deber al descenso del redimiento del compresor y/o el expansor.

Figura 5. Potencia al freno en función del consumo de combustible para diferentes velocidades de rotación Turbina a Gas Deutz T-216.

•  CAMPO CARACTERÍSTICO DEL COMPRESOR.

En la Figura 6 puede observarse las curvas características del compresor, relación de compresión en función del flujo másico adimensional, para las dos configuraciones de operación.

Figura 6. Curva característica del compresor relación de compresión en función del flujo másico adimensional Turbina a Gas Deutz T-216.

Puede observarse que el campo de funcionamiento se desplaza a zonas de menor relación de compresión y posiblemente de menor rendimiento, si se compara con la Figura 7 se puede observar que el desplazamiento es bien importante.

Figura 7. Rendimiento del compresor en función del flujo másico adimensional Turbina a Gas Deutz T-216.

La degradación del rendimiento del compresor es importante, ya que el rendimiento promedio del compresor para la configuración con aislamiento térmico es de 55%, mientras que para la configuración sin aislamiento térmico el comportamiento promedio del compresor está por encima del 80% para todas las velocidades de rotación. El deterioro del rendimiento del compresor podría explicar el aumento en el consumo de combustible observado en las Figuras 4 y 5.

•  CAMPO CARACTERÍSTICO DE LA TURBINA RADIAL.

En la Figura 8 se muestra la curva característica de la turbina radial, la relación de expansión en función del flujo másico adimensional. Se puede observar que el campo de funcionamiento de la turbina se ha desplazado hacia la derecha, más cercano a la condición de bloqueo, debido principalmente al aumento de la temperatura a la entrada de la turbina, que puede estar relacionada con el incremento en el consumo de combustible y con la disminución de la relación de expansión.

Figura 8. Curva característica de la turbina radial relación de expansión en función del flujo másico adimensional Turbina a Gas Deutz T-216.

En la Figura 9 uno puede observar una caída del rendimiento de la turbina radial en comparación a la configuración sin aislamiento térmico, lo cual puede implicar que la turbina radial no es capaz de aprovechar el incremento de la temperatura de los gases producto del incremento en el consumo de combustible, lo que se traduce en un aumento de la temperatura promedio de salida de los gases de la turbina, tal como se muestra en la Figura 4, y en la disminución de la potencia al freno, tal como se muestra en la Figura 5.

Figura 9. Rendimiento de la turbina radial en función del flujo másico adimensional Turbina a Gas

Deutz T-216.

CONCLUSIONES

El banco de pruebas de la Turbina a Gas DEUTZ T-216 fue caracterizado en diferentes combinaciones de velocidad de giro y carga, para dos configuraciones de trabajo, sin aislamiento térmico y con aislamiento térmico.

Uno puede concluir que la presencia de aislamiento térmico produce, paradojicamente, un deterioro en el funcionamiento de la turbina a gas. Este deterioro parece más importante en la medida que aumenta la velocidad de rotación, pero la imposibilidad de ensayar velocidades de rotación altas en la configuración con aislamiento no permite establecer una conclusión definitiva.

El deterioro del comportamiento de la turbina a gas puede ser consecuencia de la geometría de la misma. Una combinación de mecanismos, que implican la disminución del rendimiento del compresor y de la turbina conjuntamente con la falta de aprovechamiento del posible incremento de la temperatura en la entrada del expansor, permite explicar el deterioro del funcionamiento de la turbina a gas.

Un estudio detallado de las irreversibilidades en la turbina permitiría estimar el impacto de los mecanismos de transferencia de calor en su funcionamiento.

Dado el uso intensivo de turbocompresores de pequeño tamaño en aplicaciones automotrices, profundizar sobre los mecanismos de transferencia de calor en la turbina radial, podría contribuir al mejoramiento del comportamiento de estos dispositivos.

Referencias

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Gayvallet, H. ; Papachristos, G. ; Jullien, J. (1987). "Modélisation d"une turbine centripète de suralimentation", Entropie, N° 134, pp. 19-26.

Yong Geng, Zhu (2001). "Effet de l"écoulement pulsé sur le fonctionnement d"un groupe « moteur-turbocompresseur", Thèse de Doctorat, Université Pierre et Marie Curie.

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Manual de la Turbina a Gas T-216 Universidad Simón Bolívar, DEUTZ, Alemania, 1975.

Autores:
Nathaly Moreno Salas
Georges Descombes
Freddy Malpica
Ricardo Noguera

Enviado Por:

Ing. Lic. Yunior Andrés Castillo S.

"NO A LA CULTURA DEL SECRETO, SI A LA LIBERTAD DE INFORMACION"®

Santiago de los Caballeros,

República Dominicana,

2015.

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